DE102005003841A1

DE102005003841A1 - Photovoltaikanlagen, die aus einem nanostrukturierten Templat hergestellt werden

Info

Publication number: DE102005003841A1
Application number: DE102005003841A
Authority: DE
Inventors: Martin San Francisco Roscheisen; Brian Menlo Park Sager; Karl Santa Clara Pichler
Original assignee: Nanosolar Inc
Current assignee: Nanosolar Inc
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2005-11-03
Also published as: US20100084014A1; US8093489B2; US7605327B2; US20050098204A1; US20130011958A1

Abstract

Photovoltaikanlagen, wie zum Beispiel Solarzellen, und Verfahren für deren Herstellung werden offenbart. Eine Anlage kann durch eine Architektur mit einem nanostrukturierten Templat gekennzeichnet sein, das aus einem ersten Ladungstransfer-Material vom n-Typ mit Templatelementen zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 500 nm im Durchmesser mit ungefähr 10·12· bis 10·16· Elementen/m·2· hergestellt ist. Ein zweites Ladungstransfer-Material vom p-Typ beschichtet die Wände der Templatelemente optional und lässt zusätzlichen Raum zurück. Ein drittes Ladungstransfer-Material vom p-Typ füllt den zusätzlichen Raum und interdigitalisiert mit dem zweiten Ladungstransfer-Material volumetrisch.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Teilfortführungsanmeldung und beansprucht Priorität aus der üblich abgetretenen US-Patentanmeldung 10/443,456, deren sämtliche Offenbarungen hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung ist auf Photovoltaikanlagen und Verfahren für deren Herstellung und insbesondere auf nanostrukturierte Photovoltaikanlagen gerichtet.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Organische und hybrid organische/anorganische Solarzellen sind zum Beispiel in Shaheen et al., "2.5 Percent Efficient Organic Plastic Solar Cells", Applied Physics Letters 78, 841 – 843 (2001); Peumans, P. und S.R. Forest "Very-high efficiency double-heterostructure copper pthalocyanine/C60 photovoltaic cells", Applied Physics Letters 79 (1): 126 – 128 (2001); Huynh et al. "Hybrid Nanorod-Polymer Solar Cells", Science 295, 2425 – 2427 (2002); Schmidt-Mende et al., "Self-Organized Discotic Liquid Crystals for High-Efficiency Organic Photovoltaics", Science 293, 1119 – 1122 (2002) beschrieben worden.

Bei diesen Solarzellenanlagen sind jedoch die Anlagenarchitekturen bezüglich ihrer Nanometerskalenmorphologie suboptimal, und Verbesserungen werden benötigt, um Anlagen von einer höheren Effizienz zu erhalten. Insbesondere würde die Morphologie der aktiven Schicht einer optimaleren Anlage eine Architektur einer Nanometerskalen-geordneten Interdigitation aufgrund der Natur der auf Exzitonen basierenden Physik haben. Die Lebensdauer von migrierenden Exzitonen ist extrem kurz, und als solches kann sich ein Exziton typischerweise nur ungefähr 10 nm zerstreuen (oder höchstens 10tel von nm), bevor sich das Elektron und Loch spontan (und nicht produktiv) rekombinieren. Daher, um das Elektron von dem Loch, mit dem es verbunden ist, zu trennen (und letztlich Elektrizität zu erzeugen), muss ein Exziton die Verbindungsstelle zu einem anderen Material (eines mit einer höheren Elektronenaffinität) innerhalb von 10tel von nm von dort, wo das Exziton anfänglich erzeugt wurde, erreichen.

Bei Solarzellenanlagen vom Stand der Technik ist die Morphologie der aktiven Schicht quasizufällig. Des Weiteren erforderte bei Anlagen vom Stand der Technik die Bewegung von Ladungen durch die aktiven Materialien der Anlagen regelmäßig und eng beabstandete Nanopartikel oder Nanostäbe, die freie Elektronen sammeln und zu der äußeren Grenze der aktiven Schicht der Anlage transportieren konnten. Das Fehlen einer einheitlichen Beabstandung in diesen Anlagen verringerte die Loch- und Elektronentransporteffizienz.

Ein alternativer Ansatz zum Bau einer organischen Solarzelle ist von Michael Graetzel und seinen Mitarbeitern entwickelt worden, die farbstoffsensibilisierte, nanokristalline Solarzellen auf TiO₂-Basis unter Verwendung eines flüssigen Elektrolyts gebaut haben (O'Regan et al. "A Low-cost, High-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO₂ Films", Nature, Vol. 353, S. 737 – 740, 24. Oktober 1991). Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC) disaggregieren die Prozesse der Lichtabsorption und Ladungstrennung. Eine Monoschicht eines Farbstoffs auf Rutheniumbasis, die chemisch auf eine Halbleiterfläche adsorbiert wird, absorbiert Licht. Nachdem der Farbstoff von einem Photon angeregt worden ist, injiziert er ein Elektron in eine Nanopartikelpaste bestehend aus einem Halbleiter, TiO₂ (Titandioxid), auf dem das elektrische Feld innerhalb dem Titandioxid die Extraktion des Elektrons ermöglicht. In einem parallelen Prozess wird eine positive Ladung von dem Farbstoff zu einem flüssigen Redoxbeschleuniger auf Iodid-/Triiodid-Basis übertragen, der einen Lochtransfer zu einer Gegenelektrode durch die Lösung ermöglicht, danach wird der Redoxbeschleuniger wieder in seinen reduzierten Zustand überführt, was den Kreislauf schließt.

Obwohl Greatzel-Zellen eine 10 %ige Effizienz in optimierten Anlagen erreichen können, ist der einzige geeignete Elektrolyt (im Hinblick auf die Geschwindigkeit der zugehörigen Redoxreaktion usw.) auch stark korrosiv. Es gibt kein bekanntes wirksames Verfahren, um die Zelle mit dem flüssigen I^–/I₃-Elektrolyt abzudichten. Selbst wenn die Zelle in wirksamer Weise abgedichtet werden könnte, ist die Korrosivität des Elektrolyts eine potentielle Gefahr, die die Herstellung von Graetzel-Zellen im großen Umfang verhindert.

Mehrere Ansätze sind unternommen worden, um das flüssige Iodid-/Triiodid-Elektrolyt mit einem Festkörpermaterial, das einen ausreichenden Lochtransport für eine effiziente Anlagentätigkeit aufweist, zu ersetzen. Diese Ansätze beinhalten: (1) Verwendung ionischer leitender Polymergels (Wang et al., 2003), (2) Solgel-Nanocomposite, die eine ionische Flüssigkeit enthalten (Stathatos et al., 2003), (3) ionische Leiter (Cao et al., 1995), (4) anorganische Halbleiter vom p-Typ, wie zum Beispiel CuI oder CuSCN (Tennakone et al., 1995; O'Regan und Schwartz, 1998; O'Regan et al., 2003), und (5) organische Löcherleiter mit einer niedrigen Molmasse, wie zum Beispiel 2,2'7,7'tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenyl-amin)-9,9'-spirobifluoren(spiro-Me OTAD) (Krüger et al., 2001).

Während es jedem dieser Ansätze gelungen ist, ein funktionsfähiges Festkörper-DSSC herzustellen, ist die AM1.5G Leistungsumwandlungseffizienz all dieser Anlagen typischerweise relativ niedrig gewesen, was zum Teil an Verlusten resultierend aus einer unregelmäßigen Titandioxid-Morphologie lag, die die zugänglichen Hohlräume innerhalb der gewunden angeordneten und gesinterten Nanopartikel-Titandioxid-Paste begrenzt, was zu einer nicht vollständigen Füllung des Festkörper-Elektrolytmaterials führt. Zum Beispiel zeigte ein DSSC, das CuSCN als einen Festkörper-Löcherleiter verwendet, nur eine 65 %ige Fülleffizienz für 6 Mikrometer. dicke Zellen, wobei die Fülleffizienz mit Erhöhung der Zellendicke zu der von einem typischen DSSC sank (O'Regan et al, 2003).

Ein weiteres Defizit farbstoffsensibilisierter Solarzellen, wie beispielsweise eine Graetze-Zelle, ist, dass eine Farbstoff- oder Pigment-Monoschicht, wie zum Beispiel das Ruthenium-Pigment, die Titandioxid-Partikel sensibilisiert. Daher wird Licht typischerweise nur an der Oberfläche der TiO₂-Nanosphären in der Monoschicht und nicht in der Masse des Farbstoffs oder Pigments absorbiert, was zu einer niedrigeren Absorptionseffizienz pro Einheitsvolumen der aktiven Schicht in der Solarzelle führt. Ferner ist das Absorptionsspektrum des Ruthenium-Farbstoffs nicht ganz dem Einstrahlungsspektrum des Sonnenlichts angepasst, und diese Fehlanpassung verringert die potentielle Lichtabsorption, aus der Elektronen gewonnen werden könnten. Zusammengenommen beschränken diese Faktoren die potentielle Effizienz der gegenwärtigen Ansätze für eine Festkörper-DSSC-Technologie.

Daher gibt es im Fachgebiet einen Bedarf nach einer Solarzellenarchitektur Aktivschichtmorphologie, die die oben genannten Schwierigkeiten überwindet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt ein vertikales Querschnittsschema einer Anlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1B ist ein horizontales Querschnittsschema der Anlage von 1A entlang Linie B-B.
1C ist eine vertikale schematische Querschnittsdarstellung einer alternativen Anlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1D ist ein schematisches Energieniveau-Diagramm, das Energieniveaus für zwei komplementäre Ladungstransfer-Materialien darstellt.
1E ist eine vertikale schematische Querschnittsdarstellung einer Nahaufnahme eines Teils der Anlage von 1A.
1F zeigt ein Rasterelektronenmikroskop- (REM) Top-down-Bild eines nanostrukturierten Titandioxid-Templats.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer Anlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt.
3A–3E zeigen eine Reihe vertikaler schematischer Querschnittsdarstellungen, die eine mögliche Sequenz von Schritten zum Ausführen des Verfahrens von 2 darstellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
INHALT

I. Glossar
II. Allgemeiner Überblick
III. Photovoltaikanlage
IV. Herstellung einer Photovoltaikanlage
V. Alternative Ausführungsformen
VI. Fazit

I. GLOSSAR
Die folgenden Begriffe sind gedacht die folgenden allgemeinen Bedeutungen zu haben, wie sie hierin verwendet werden:
Der Artikel "ein" bezieht sich auf eine Menge von einem oder mehreren der Gegenstände, die nach dem Artikel folgen, außer wo ausdrücklich anderweitig angegeben, zum Beispiel "eine einzelne" Schicht.
Aktive Schicht bezieht sich im Allgemeinen auf die Schicht in einer Photovoltaik- oder Solarzellenanlage, wo die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie stattfindet.
Anodisierung bezieht sich auf die Bildung eines Films, wie zum Beispiel ein Oxid, auf einem leitenden Material, wie zum Beispiel ein Metall, durch Elektrolyse.
Anordnung bezieht sich auf eine regelmäßige Verteilung von Objekten oder Strukturen über eine Entfernungsskala, die größer ist als manche charakteristische Dimension einer typischen Struktur oder eines typischen Objekts in der Anordnung.
Buckminsterfulleren oder Fulleren: bezieht sich auf Molekularkäfige, bestehend zum Beispiel nur aus Kohlenstoffatomen oder hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen. Die Verteilung der Atome erfolgt fast ausschließlich in der Form von Sechsecken und Fünfecken: Zum Beispiel stellen 12 Fünfecke und 20 Sechsecke einen C₆₀ Käfig her, der einen Durchmesser von 10 Å aufweist, mit einem Hohlraum von 4 Å. Fullerene haben auch andere nützliche Formen, wie zum Beispiel C₂₀, C₃₆, C₆₀, C₇₀, C₇₆, C₈₄ usw. Buckminsterfulleren/Fullerene beinhalten Derivate wie zum Beispiel dotiert, funktionalisiert (beispielsweise COOH oder anderweitig funktionalisiert, solubilisierte Fullerene, wie zum Beispiel Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) und dessen Derivate, und polymerisierte Fullerene oder Kombinationen davon, sowie fullerenähnliche Molekularkäfige mit oder ohne Kohlenstoff.
Ladungstransfer-Material bezieht sich im Allgemeinen auf einen Halbleiter, wie zum Beispiel ein Elektronenakzeptor vom n-Typ oder ein Lochakzeptor vom p-Typ.
Komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften: Wie hierin verwendet, sollen ein erstes und zweites Halbleiter- oder Leitermaterial komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf einander haben, wenn das erste Material ein Lochakzeptor und/oder Lochtransporter in Bezug auf das zweite ist, und das zweite ein Elektronenakzeptor und/oder Elektronentransporter in Bezug auf das erste ist, oder umgekehrt. Zwei Materialien können komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften aufweisen, wenn sie unterschiedliche Elektronenaffinitäten haben.
Kegel bezieht sich auf eine Form, die Symmetrie um eine Achse und einen sich verkleinernden Querschnitt aufweist.
Zylinder bezieht sich auf eine Form, die Symmetrie um eine Achse und einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist.
Anlage: Ein Aufbau oder eine Untergruppe, die eine oder mehrere Materialschichten aufweist.
Effizienz: Bei einer Photovoltaikanlage oder aktiven Schicht ist die Effizienz das Verhältnis von abgegebener Energie (zum Beispiel in der Form von Elektronen) zu der notwendigen zugeführten Energie (zum Beispiel in der Form von Photonen).
Elektrochemisch bezieht sich auf den Prozess des Vorantreibens einer chemischen Reaktion durch Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch eine Reaktionsmischung.
Elektrolyse bezieht sich auf den Prozess des Vorantreibens einer Redoxreaktion in der Umkehrung durch Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch eine Reaktionsmischung.
Elementbeabstandung bezieht sich auf den Abstand zwischen benachbarten Templatelementen, gemessen zum Beispiel im Hinblick auf die Anzahl von Elementen pro Einheitsbereich, Mitte-Mitte-Abstand zwischen Elementen, oder, im Fall porenähnlicher Elemente, Wanddicke.
Längliche Strukturen bezieht sich auf geometrische Formen, wie zum Beispiel Röhren, Säulen, frei stehende Säulen, Zylinder, nadel- oder whiskerähnliche längliche Kristalle, die aus einer Materialschicht hervorstehen, sowie Öffnungen, wie beispielsweise Poren und Kanäle, zum Beispiel im Allgemeinen hohle und im Wesentlichen gerade vertikale Öffnungen, die in eine Materialschicht hinein oder durch diese hindurch gebildet sind.
Lochakzeptor, Elektronenakzeptor: Lochakzeptor und Elektronenakzeptor sind relative Begriffe zum Beschreiben von Ladungstransfer zwischen zwei Materialien. Zum Beispiel ist bei zwei Halbleitermaterialien, worin ein erstes Material eine Valenzbandkante oder höchstes besetztes Molekularorbital (HOMO) aufweist, die bzw. das höher ist als die entsprechende Valenzbandkante oder das entsprechende HOMO für ein zweites Material, und worin das erste Material eine Leitungsbandkante oder niedrigstes unbesetztes Molekularorbital (LUMO) aufweist, die bzw. das höher ist als die entsprechende Leitungsbandkante oder das entsprechende LUMO für das zweite Material, das erste Material ein Lochakzeptor in Bezug auf das zweite Material ist, und das zweite Material ein Elektronenakzeptor in Bezug auf das erste Material ist. Eine besondere Bandkante oder ein besonderes Molekularorbital gilt als "höher", wenn sie bzw. es näher zu dem Vakuumniveau ist.
Hybrid organisch/anorganisch bezieht sich in Bezug auf Photovoltaikanlagen und Solarzellen auf eine Anlage, die sowohl organische als auch anorganische Materialien entweder in einer Schicht, in verschiedenen Schichten oder mancher Kombination von beiden verwendet.
Beinhaltet, einschließlich, beispielsweise, "wie zum Beispiel", "zum Beispiel", usw., "und ähnlich", kann, könnte und andere ähnliche Kennzeichner, die in Verbindung mit einem Gegenstand oder einer Liste von Gegenständen in einer besonderen Kategorie verwendet werden, bedeuten, dass die Kategorie den Gegenstand oder die aufgeführten Gegenstände enthält, aber nicht auf diese Gegenstände beschränkt ist.
Anorganische Materialien: Materialien, die nicht Kohlenstoff als ein Hauptelement enthalten. Beispiele beinhalten Metalloxide und gemischte Metalloxide. Diese beinhalten sowohl leitfähige Materialien (zum Beispiel Oxide, wie beispielsweise Titandioxid, ITO, SnO_x, F-dotiertes SnO_x, Al-dotiertes ZnO_x, ZnO_x usw.) als auch nicht leitfähige Materialien wie zum Beispiel AlO_x, SiO_x usw.
Schicht bezieht sich auf ein Merkmal, gekennzeichnet durch eine im Wesentlichen größere Länge und/oder Breite im Vergleich zu ihrer Dicke. Eine Schicht kann aus mehreren Elementen in einer im Wesentlichen zwei-dimensionalen Anordnung, oder zwei oder mehreren Unterschichten, die übereinander gestapelt werden, oder mancher Kombination von beiden, bestehen.
Nanostrukturiert: bezieht sich im Allgemeinen auf die Eigenschaft, Merkmale mit einer charakteristischen Dimension in der Ordnung von mehreren Nanometern (10^– ⁹ m) bis zu mehreren Zehnteln oder Hundertsteln von nm quer aufzuweisen.
Organische Materialien: Zusammensetzungen, die hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, mit oder ohne Sauerstoff, Stickstoff oder anderen Elementen, mit Ausnahme derer, in denen Kohlenstoff keine wichtige Rolle spielt (z.B. Karbonatsalze). Beispiele organischer Materialien beinhalten:

(a) Organische Farbstoffe und Pigmente, wie zum Beispiel Perylene, Phthalocyanine, Merocyanine, Terylene und Squaraine und ihre Derivate.
(b) Polymere: Materialien zusammengesetzt aus großen Makromolekülen bestehend aus mehr als einem Grundmolekül. Polymere, die aus 2 – 8 Grundmolekülen zusammengesetzt sind, werden oft als Oligomere bezeichnet. Beispiele solcher Grundmoleküle beinhalten zum Beispiel Farbstoffe oder Pigmente.
(c) Kleine Moleküle (small molecules), einschließlich Pthalocyanine (zum Beispiel CuPc), Pentacen, C₆₀ oder anderer Fullerene, sowie ihre jeweiligen Vorgänger und Derivate.

Organische Solarzelle: Ein Solarzellentyp, worin eine aktive photoelektrische Schicht entweder ganz oder teilweise unter Verwendung von organischen Materialien hergestellt wird, zum Beispiel Polymere, Oligomere, Moleküle, Farbstoffe, Pigmente (einschließlich Mischungen).
Photovoltaikanlage: Eine Anlage, die Strahlung absorbiert und Energie aus der Strahlung in elektrische Energie umwandelt. Solarzellen sind Beispiele für Photovoltaikanlagen.
Strahlung: Energie, die selektiv angewandt werden kann, einschließlich elektromagnetischer Energie mit einer Wellenlänge zwischen ungefähr 10^–14 und ungefähr 10⁴ Metern, einschließlich beispielsweise Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, Ultraviolettstrahlung, sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung, Mikrowellenstrahlung und Radiowellen.
Halbleiter: Wie hierin verwendet, bezieht sich Halbleiter im Allgemeinen auf ein Material gekennzeichnet durch eine elektronische Bandlücke von typischerweise zwischen ungefähr 0,5 eV und ungefähr 3,5 eV.
Solarzelle: Eine Photovoltaikanlage, die mit Strahlung (oft in der Form von Sonnenlicht) interagiert, die auf die Anlage fällt, um elektrische Energie/Spannung/Strom zu erzeugen.
Templatelement bezieht sich auf ein topologisches Merkmal, das in einer Schicht Templatmaterial gebildet ist.
Templatpore bezieht sich auf eine Pore, die in einer Schicht Templatmaterial gebildet ist.
Röhrchen bezieht sich auf eine hohle, röhrenähnliche Struktur. Ein Röhrchen kann zum Beispiel in einem Templatelement gebildet sein, wie zum Beispiel eine Pore oder ein Kanal, in welchem Fall das Röhrchen eine Symmetrieachse aufweisen kann, die im Wesentlichen entlang der Symmetrieachse des Templatelements ausgerichtet ist.
Röhrchenpore bezieht sich auf einen zentralen Hohlraum in einem Röhrchen, der im Wesentlichen entlang der Symmetrieachse des Röhrchens ausgerichtet ist.
II. ALLGEMEINER ÜBERBLICK
Obwohl die folgende ausführliche Beschreibung viele spezifische Einzelheiten zu Darstellungszwecken enthält, wird jemand, der gewöhnliche Fähigkeiten in dem Fachgebiet hat, zu dem Schluss gelangen, dass viele Änderungen und Abwandlungen zu den nachstehenden Einzelheiten im Umfang der Erfindung enthalten sind. Dementsprechend sind die Ausführungsbeispiele der nachstehend beschriebenen Erfindung ohne einen Verlust der Allgemeingültigkeit und ohne Auferlegung von Beschränkungen auf die beanspruchte Erfindung dargelegt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Photovoltaikanlage bereit, die aus einem nanostrukturierten Templat mit Templatelementen konstruiert ist, die aus einem ersten Ladungstransfer-Material hergestellt sind. Ein zweites (komplementäres) Ladungstransfer-Material beschichtet die Wände der Templatelemente und lässt zusätzlichen Raum zurück. Ein drittes Material füllt den zusätzlichen Raum. In besonderen Ausführungsformen ist das nanostrukturierte Templat aus einem anorganischen halbleitenden Material vom n-Typ hergestellt, das zweite Ladungstransfer-Material ist ein organisches halbleitendes Material vom p-Typ und das dritte Ladungstransfer-Material ist entweder ein zweites Material vom p-Typ (das dasselbe wie das zweite Ladungstransfer-Material sein könnte) oder ein elektrisch leitfähiges Material.
III. PHOTOVOLTAIKANLAGE
1A zeigt einen Teil einer Photovoltaikanlage 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Anlage 100 beinhaltet im Allgemeinen eine aktive Schicht 101, die zwischen zwei Elektroden, zum Beispiel eine Basiselektrode 110 und eine Topelektrode 106, angeordnet ist. Eine optionale Grenzflächenschicht 104 kann zwischen der aktiven Schicht 101 und der Topelektrode 106 angeordnet sein. Die Basiselektrode 110 kann auf einem optionalen Substrat 116 angeordnet sein. Zusätzlich kann eine halbleitende oder leitende Unterschicht (nicht gezeigt) optional zwischen der aktiven Schicht 101 und der Basiselektrode 110 angeordnet sein.
Die Topelektrode 106 und Basiselektrode 110 können Leitelektroden sein, oder sie können nicht-leitfähige Materialien beinhalten, die Unterstützung bieten, zum Beispiel für leitfähige Schichten, die als die eigentlichen Elektroden dienen. Die Basiselektrode 110 kann die Form eines kommerziell erhältlichen Feinbleches aufweisen, wie zum Beispiel C-, Au-, Ag-, Al- oder Cu-beschichtete Stahlfolie oder metall-/legierungsbeschichtete Plastikfolien, einschließlich Metall- oder metallisierter Plastiksubstrate/-folien, die geebnet werden, um Oberflächenrauheit zu reduzieren. Die Basiselektrode kann vorgemustert werden (oder in einer geeigneten Phase während der Herstellung der Anlage gemustert werden), um eine Parallel- und/oder Serienschaltung individueller Anlagen, wie bei der Herstellung von PV-Zellmodulen gebräuchlich verwendet, zu erleichtern. In diesem Zusammenhang kann eine Vormusterung zu einzelnen, elektrisch isolierten Basiselektrodensegmenten führen.
Die Basiselektrode 110 kann alternativ aus einem transparenten, leitenden Material, wie zum Beispiel Indiumzinnoxid und ähnliche, hergestellt werden, das zum Beispiel auf einem Glas- oder Plastiksubstrat angeordnet ist. Die Topelektrode 106 kann eine transparente Elektrode sein, zum Beispiel eine Schicht aus einem transparenten leitenden Oxid (TCO), wie zum Beispiel Indiumzinnoxid (ITO), Zinkoxid (ZnO) oder fluoriertes Zinnoxid (F:SnO₂). Die Topelektrode 106 kann optional manche Kombination eines transparenten leitenden Polymers, einer dünnen Metallschicht oder einer Anordnung von beabstandeten Drähten, zum Beispiel in der Form einer Masche, eines Gitters oder von Paralleldrähten, beinhalten (entweder mit oder ohne ein TCO). Die optionale Grenzflächenschicht 104 kann eine kurz prüfende Grenzschicht oder ein zusätzliches leitendes Polymer oder organisches Material beinhalten. Beispiele geeigneter organischer Materialien beinhalten PEDOT (Baytron), mit einem Dotierungsmittel, wie zum Beispiel Polystyrensulfonsäure (PSS), 2,2'7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenyl-amin)-9,9'-spirobifluoren (spiro-MeOTAD), dotiertes PEDOT, oder mit einem Dotierungsmittel, wie zum Beispiel Polystyrensulfonsäure (PSS), dotiertes Polyanilin. In einer besonderen Ausführungsform ist die Grenzflächenschicht 104 Poly-3,4-Ethylendioxythiophen-Polystyrensulfonsäure (PEDOT-PSS). In einigen Ausführungsformen können sowohl die Topelektrode 106 als auch die Basiselektrode 110 transparent sein. Es ist auch möglich, die Positionen der Topelektrode 106 und Basiselektrode 110 zu tauschen.
Die aktive Schicht 101 beinhaltet ein nanostrukturiertes Templat 105, das aus einem ersten Ladungstransfer-Material hergestellt ist, sowie ein zweites und drittes Ladungstransfer-Material 107, 109. Es ist oft wünschenswert, dass das Templat 105 aus einem Material hergestellt wird, das in den sichtbaren und Beinah-IR-Lichtbereichen transparent ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das poröse Templat aus einem leitenden oder halbleitenden Material vom n-Typ hergestellt. Als Beispiel kann das Templat 105 aus Titandioxid (TiO₂) oder einem anderen Metalloxid oder anderen Oxid hergestellt sein. Zum Beispiel kann das Templat 105 aus Zinkoxid (ZnO), Zirconiumdioxid, Lanthanoxid, Niobiumoxid, Wolframoxid, Zinnoxid, Strontiumoxid, Calcium-/Titanoxid, Indium(III)-oxid, Wolframoxid, Vanadiumoxid, Zirconiumdioxid, Molybdänoxid, Vanadiumoxid, Strontiumoxid, Natriumtitanat, Kaliumniobat, Silizium (zum Beispiel dotiert vom n-Typ), Cadmiumselenid (CdSe), Zinkselenid (ZnSe), Cadmiumsulfid (CdS), Cadmiumtellurid (CdTe), Zinktellurid (ZnTe), Cadmiumtelluridselenid (CdTeSe), Cadmium-Indium-Selenid (CdInSe₂) sowie Mischungen bzw. Legierungen zweier oder mehrerer solcher Materialien hergestellt sein.
In bevorzugten Ausführungsformen wird das Templat 105 durch Oxidieren einer Metallschicht gebildet. Die Metallschicht, zum Beispiel Titanfolie, kann teilweise anodisiert werden, sodass ein anodisierter Teil das Templat 105 bildet, und ein nicht anodisierter Teil als die Basiselektrode 110 fungiert. Teile 112 des Templats 105, die nahe einer Grenzfläche zwischen dem anodisierten und nicht anodisierten Teil liegen, können vor direktem Kontakt zwischen der Basiselektrode und dem zweiten Ladungstransfermaterial 107 schützen. Obwohl das Templat 105 im Allgemeinen als aus einem anorganischen Material hergestellt beschrieben wird, können organische Materialien ebenfalls verwendet werden.
Vorzugsweise enthält das Templat 105 Templatelemente 103, die in einer im Wesentlichen einheitlichen Art und Weise verteilt sein können, obwohl genaue einheitliche Porenbeabstandung, Porenform oder Porengröße nicht streng erforderlich sind. Die Templatelemente 103 können längliche Strukturen sein, wie zum Beispiel Röhren, Kanäle, Poren, Säulen und ähnliche, die eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen. Alternativ können die Templatelemente 103 eine kegelähnliche Form haben, zum Beispiel Kegelstümpfe, die sich mit dem breiteren, von der Metallschicht 108 entferntesten Ende verkleinern, das heißt in Richtung oberer Teil der Zeichnung in 1A. Die kegelähnliche Form kann auch umgekehrt werden, das heißt mit den breiteren Öffnungen unten und den engeren Öffnungen oben. In einigen Ausführungsformen weisen die Templatelemente 103 die Form von Nanoröhren auf, zum Beispiel hohle Röhren, die aus dem Templat 105 mit Räumen zwischen den Seitenwänden der Röhren hervorstehen.
Die Templatelemente 103 können von einer durchschnittlichen Elementbeabstandung A, einer durchschnittlichen Wanddicke B und einem durchschnittlichen Durchmesser C gekennzeichnet sein. Die durchschnittliche Beabstandung A kann zum Beispiel von Mitte bis Mitte gemessen werden, und kann von ungefähr 10 nm bis ungefähr 500 nm reichen. Im Fall von röhrenförmigen Templatporen 103 können die Röhren 50 bis 500 nm über dem Templat 105 hervorstehen. Solche Röhren können Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 500 nm mit Röhrenwänden bis zu 50 nm dick aufweisen.
Bei hohlen Templatelementen kann die durchschnittliche Wanddicke B von weniger als ungefähr 5 nm bis ungefähr 50 nm reichen. Der durchschnittliche Durchmesser C kann im Bereich von mehreren Zehntel Nanometer bis mehrere Hundert Nanometer liegen. Zum Beispiel ist es möglich, Poren so klein wie ungefähr 1 nm bis so groß wie ungefähr 500 nm im Durchmesser zu bilden. Die Dichte der Templatelemente 103 kann von ungefähr 10¹² Elementen pro Quadratmeter bis ungefähr 10¹⁶ Elementen pro Quadratmeter reichen. Bei Elementen mit einem vorgegebenen Durchmesser C und Dichten größer als ungefähr 1/C² neigen die Elemente dazu, sich zu überlappen und miteinander zu verschmelzen, obwohl mancher Überlappungs-/Verschmelzurigsgrad akzeptabel sein kann. Auch kann der Durchmesser C größer als die Wanddicke B zwischen benachbarten Templatelementen 103 sein.
Das Templat 105 kann weiter durch eine Dicke D gekennzeichnet sein. Die Dicke D kann die Dicke einer gesamten Metallschicht sein, aus der das Templat 105 gebildet wird, wenn die Metallschicht gänzlich oxidiert ist. Alternativ kann die Dicke D die Dicke eines oxidierten Teils einer teilweise oxidierten Metallschicht sein. Vorzugsweise ist das Templat 105 relativ dünn. Zum Beispiel kann die Dicke D von ungefähr 50 nm bis ungefähr 2000 nm (2 Mikrometer) dick sein.
Das zweite Ladungstransfer-Material 107 ist im Allgemeinen ein Halbleiter vom p-Typ, der die Templatelemente 103 in einer im Wesentlichen konformen Art und Weise beschichtet, die zusätzlichen Raum zurücklässt. Das dritte Ladungstransfer-Material 109 füllt den zusätzlichen Raum. Es ist oft wünschenswert, dass sich das zweite Ladungstransfer-Material nicht erheblich über die Oberfläche des nanostrukturierten Templats 105 erstreckt. Daher kann das zweite Ladungstransfer-Material 107 die Templatelemente 103 bis zu einer Höhe beschichten, die im Wesentlichen mit einer Oberseite des Templats 105 gleich ist. Das zweite Ladungstransfer-Material 107 kann die Spitzender Templatelemente 103 beschichten, um direkten Kontakt zwischen dem dritten Ladungstransfer-Material 107 und dem Templat 105 zu vermeiden. In einer bevorzugten Ausführungsform können das zweite und dritte Ladungstransfer-Material 107 und 109 aus demselben Material sein. Mit anderen Worten, die aktive Schicht 101 kann das Templat 105 beinhalten, wobei das erste Ladungstransfer-Material 107 Raum zwischen oder innerhalb der Templatelemente 103, wie in 1C gezeigt, füllt.
Das Material des Templats 105 und das erste Ladungstransfer-Material 107 weisen komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf einander auf. Im Allgemeinen kann eines dieser zwei Materialien als ein Elektronenakzeptor betrachtet werden, während das andere als ein Lochakzeptor betrachtet werden kann. Ladungstransfer-Materialien können durch ein niedrigstes unbesetztes Molekularorbital (LUMO) oder Leitungsband und ein höchstes besetztes Molekularorbital (HOMO) oder Valenzband, wie in 1D schematisch angedeutet, gekennzeichnet sein. Wo zwei Ladungstransfer-Materialien mit unterschiedlichen Energieniveaus an einer Grenzfläche INT aufeinander treffen, neigen Elektronen e– dazu, sich über die Grenzfläche INT von dem höheren LUMO oder Leitungsband zu dem niedrigeren LUMO oder Leitungsband zu bewegen. In ähnlicher Weise neigen Löcher h+ dazu, sich über die Grenzfläche INT von dem niedrigeren HOMO oder Valenzband zu dem höheren HOMO (oder Valenzband) zu bewegen. Bitte beachten, dass es für jedes gegebene Material möglich ist, ein Lochakzeptor in Bezug auf ein Material und ein Elektronenakzeptor in Bezug auf ein anderes Material zu sein.
Wo die Elemente 103 zum Beispiel die Form von Nanoröhren aufweisen, die aus dem Templat 105 hervorstehen, können das zweite und dritte Ladungstransfer-Material 107, 109 Räume in dem Inneren der Nanoröhren sowie den freien Raum zwischen den Röhren einnehmen. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, dass sich ein niedrigstes unbesetztes Molekularorbital (LUMO) oder Leitungsband des Materials des Templats 105 von einem LUMO oder Leitungsband des zweiten Ladungstransfer-Materials 107 um mehr als ungefähr 0,2 eV unterscheidet. Des Weiteren ist es wünschenswert, das wenigstens ein und möglicherweise beide Ladungstransfer-Materialien Licht oder eine andere Strahlung aus manchem Teil des elektromagnetischen Spektrums absorbieren. Insbesondere ist es auch für wenigstens eines von dem Templatmaterial und zweiten Ladungstransfer-Material 107 wünschenswert, eine Absorption von größer als ungefähr 10³/cm bei der Absorptionsspitze aufzuweisen.
In dem in 1A gezeigten Beispiel beschichtet das zweite Ladungstransfer-Material 107 die Wände und Böden der Templatelemente 103 mehr oder weniger konform, wobei zum Beispiel Röhrchen, die zusätzlichen Raum zurücklassen, zum Beispiel in der Form von Röhrchenporen, gebildet werden, die von dem dritten Ladungstransfer-Material 109 gefüllt werden. Jedes Röhrchen kann durch einen Außendurchmesser gekennzeichnet sein, der ungefähr gleich dem Innendurchmesser der entsprechenden Templatelemente 103 ist. Jede Röhrchenpore kann durch einen Röhrchenporendurchmesser d gekennzeichnet sein, der im Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 500 nm liegt. Im Allgemeinen beträgt der Röhrchenporendurchmesser d weniger als der Templatelementdurchmesser C. Als Beispiel können die Röhrchen eine Röhrchenwanddicke von bis zu ungefähr 50 nm und eine Gesamtröhrenhöhe von bis zu ungefähr 2 Mikrometer aufweisen.
Vorzugsweise ist das zweite Ladungstransfer-Material 107 auch ein Material, das Licht in der Masse des Materials absorbiert. Zusätzlich kann oder kann nicht das zweite Ladungstransfer-Material 107 eine wesentliche Fraktion des einfallenden Lichts absorbieren. Alternativ kann das zweite Ladungstransfer-Material 107 eine Mischung aus zwei oder mehreren verschiedenen Materialien sein, die zum Beispiel eine unterschiedliche Lichtabsorption und/oder unterschiedliche HOMO/LUMO-Niveaus aufweisen.
Das dritte Ladungstransfer-Material 109 kann ein elektrisch leitendes Material oder ein Halbleiter vom p-Typ sein. Das dritte Ladungstransfer-Material 109 weist vorzugsweise die Form von länglichen "fingerähnlichen" Strukturen auf, die sich in den zentralen Innenbereich der Strukturen erstrecken und den Raum füllen, der in dem Inneren der Struktur zurückbleibt, nachdem das zweite Ladungstransfer-Material 107 abgeschieden oder anderweitig gebildet worden ist. Die Spitzen der "Finger" weisen optional Stöpsel 114 aus kurz prüfendem Material auf. Die Stöpsel 114 können vor unerwünschtem elektrischen Kontakt zwischen dem dritten Ladungstransfer-Material 109 und dem Templat 105 und/oder der darunter liegenden Basiselektrode 110 und oder einer (eventuellen) Unterschicht schützen. Beispiele geeigneter kurz prüfender Materialien werden zum Beispiel in der üblich abgetretenen, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung 10/719/100 mit dem Titel "NANOSTRUCTURED OPTOELECTRONIC DEVICE WITH SHORT-PROOFING LAYER" beschrieben, die am 21. November 2003 eingereicht wurde und deren Offenbarungen hier durch Bezugnahme aufgenommen werden. Das zweite und/oder dritte Ladungstransfer-Material 107, 109 können organische Materialien sein. Beispiele geeigneter organischer Materialien beinhalten konjugierte Polymere, wie zum Beispiel Polyphenylen und dessen Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und dessen Derivate (zum Beispiel Poly(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen) (MEH-PPV), Polyparaphenylenvinylen (PPV), PPV-Copolymere, Polythiophen und dessen Derivate (zum Beispiel Poly-(3-Oktylthiophen-2,5-diyl), regioregulär, Poly-(3-Oktylthiophen-2,5-diyl), bereichszufällig (regiorandom), Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl), regioregulär, Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl), bereichszufällig (regiorandom), Poly(thienylenevinylen) und dessen Derivate, und Poly(isothiananaphthen) und dessen Derivate. Andere geeignete Polymere beinhalten organometallische Polymere, Polymere, die Peryleneinheiten enthalten, Polysquaraine und ihre Derivate, und diskotische Flüssigkristalle. Andere geeignete organische Materialien beinhalten organische Pigmente oder Farbstoffe, Azofarbstoffe mit Azochromophoren (-N=N-), die aromatische Gruppen binden, Phtalocyanine einschließlich metallfreies Phtalocyanin; (HPc), Cu-Phtalocyanin (CuPc), Zink-Phtalocyanin (ZnPc), Perylene, Naphfhalocyanine, Squaraine, Merocyanine und ihre entsprechenden Derivate, Polysilane, Polygerminate, 2,9-Di(pent-3-yl)-anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f]diisochinolin-1,3,8,10-tetron, und 2,9-Bis-(1-hexyl-hept-1-yl)-anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f]diisochinolin-1,3,8,10-tetron und kleine organische Moleküle, wie zum Beispiel Pentacen und/oder Pentacen-Vorgänger. Mischungen zweier oder mehrerer dieser Materialien können ebenfalls kombiniert werden.
Das zweite und/oder dritte Ladungstransfer-Material 107, 109 können ebenfalls Polyfluorene und Copolymere und Mischungen auf Polyfluerenbasis, zum Beispiel copolymerisiert und/oder gemischt mit ladungstransportierenden (zum Beispiel Triphenylamine und Derivate) und/oder lichtabsorbierenden Verbindungen (zum Beispiel geschmolzene Tiophenringe und Derivate, im Allgemeinen Heteroatom-Ringverbindungen mit oder ohne Substituenten), Pigmente, Farbstoffe oder Fullerene beinhalten.
Alternativ können das zweite und/oder dritte Ladungstransfer-Material 107, 109 aus einem anorganischen Material hergestellt werden. Beispiele geeigneter anorganischer Materialien beinhalten zum Beispiel Metalloxide wie beispielsweise Titandioxid (TiO₂), Zinkoxid (ZnO), Kupferoxid (CuO oder Cu₂O), Kupfersulfid (zum Beispiel Cu₂S), Zirconiumdioxid, Lanthanoxid, Niobiumoxid, Zinnoxid, Indium(III)-oxid, Wolframoxid, Vanadiumoxid, Molybdänoxid, Strontiumoxid, Calcium-/Titanoxid und andere Oxide, Natriumtitanat, Kaliumniobat, Cadmiumselenid (CdSe), Zinkselenid (ZnSe), Cadmiumsulfid (CdS), Cadmiumtellurid (CdTe), Zinktellurid (ZnTe), CIS, CISe, CIGS (CuInGaSe₂), das heißt im Allgemeinen leitende oder halbleitende Materialien, zum Beispiel dotiertes Silizium (Si) vom p-Typ oder n-Typ, sowie Mischungen von bzw. Legierungen aus zwei oder mehreren solcher Materialien. Verfahren zur Abscheidung solcher Materialien beinhalten Sol-/Solgel-Verfahren, Layer-by-Layer Deposition (LBL-Abscheidung), Atomic Layer Deposition (ALD-Verfahren), Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD-Verfahren), Verdampfen, Sputfern, Chemical Vapor Deposition (CVD-Verfahren), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD-Verfahren), Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD-Verfahren), gepulstes CVD usw. Im Allgemeinen kann das dritte Ladungstransfer-Material 109 durch Abscheidung oder Reaktion oder Kondensation aus der Flüssig- oder Gasphase, oder durch physikalische Abscheidungsverfahren erzeugt werden. Ferner können das zweite und/oder dritte Ladungstransfer-Material 109 durch Atomic Layer Deposition (ALD-Verfahren), Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD-Verfahren), Verdampfen, Sputtern, Chemical Vapor Deposition (CVD-Verfahren), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD-Verfahren), Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD-Verfahren), Elektroabscheidung, Elektroplattierung, Ionenplattierung, Chemical Bath Deposition (CBD-Verfhren), Flüssigphasenabscheidung und ähnliche abgeschieden werden.
Das Material des Templats 105 und das zweite Ladungstransfer-Material 107 weisen komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf einander auf. Zusätzlich kann das dritte Ladungstransfer-Material 109 ebenfalls komplementäre Ladungstransfer-Materialien in Bezug auf sowohl das Templat 105 als auch das erste Ladungstransfer-Material 107 aufweisen. Im Allgemeinen kann eines der ersten und zweiten Ladungstransfer-Materialien als ein Elektronenakzeptor betrachtet werden, während das andere als ein Lochakzeptor betrachtet werden kann. Das Energieniveau-Diagramm von 1D verdeutlicht einige allgemeine Richtlinien für die Bestimmung, welches Ladungstransfer-Material als ein Lochakzeptor- und -transporter betrachtet werden kann und welches als ein Elektronenakzeptor- und -transporter betrachtet werden kann. Ladungstransfer-Materialien können durch ein niedrigstes unbesetztes Molekularorbital (LUMO) bzw. ein höchstes besetztes Molekularorbital (HOMO) gekennzeichnet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Anlage 100 optional eine Grenzflächenschicht 111 in der aktiven Schicht 101 beinhalten, die zwischen dem Templat 105 und dem zweiten Ladungstransfer-Material 107, oder zwischen dem zweiten und dritten Ladungstransfer-Material 107, 109, oder beiden, wie in 1E gezeigt, angeordnet ist. Die Grenzflächenschicht 111 kann konfiguriert werden, um die Effizienz der Anlage 100 in der Form von einem oder mehreren (a) Differenzialladungstransfers, das heißt Ladungstransfer zwischen den zwei Materialien, die unterschiedliche Geschwindigkeiten für Vorwärts- im Vergleich zu Rückwärts-Transport, aufweisen, (b) Differenzlichtabsorption, um einen Bereich von Wellenlängen zu erweitern, welcher die aktive Schicht absorbieren kann, oder (c) verbesserte Lichtabsorption und/oder Ladungsinjektion zu erhöhen. Beispiele solcher Grenzflächenschichten werden ausführlich in der üblich abgetretenen US -Patentanmeldung, Seriennummer 10/419,708, beschrieben, deren sämtliche Offenbarungen hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Als Beispiel kann die Grenzflächenschicht 111 organische Materialien enthalten, die mit dem Templat 105 verbunden sind. Beispiele solcher organischer Materialien beinhalten Fullerene (zum Beispiel C₆₀, C₇₀ und ähnliche), Kohlenstoff-Nanoröhren, Farbstoffe, Ruthenium-Farbstoffe, Pigmente, und organische Monomere, Oligomere, und Polymere, von denen welche einzeln oder in Kombination auf das Templat 105 abgeschieden werden können. Obwohl die Grenzflächenschicht 111 als eine Monoschicht in 1E dargestellt ist, können auch mehrschichtige Grenzflächenschichten verwendet werden. Die Grenzflächenschicht 111 kann die Form einzelner Moleküle, Monomere oder Oligomere, oder einer kontinuierlichen oder einer im Wesentlichen kontinuierlichen Schicht zwischen dem. Templat 105 und dem ersten Ladungstransfer-Material 107, oder zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material 107 und 109 aufweisen. In einer besonderen Ausführungsform kann die Grenzflächenschicht 111 Fullerene beinhalten. Fullerene, wie zum Beispiel C₆₀, können auch funktionalisiert werden, beispielsweise so, dass sie kovalent mit den Wänden der Röhrchenporen und/oder dem massiven Stoff des Templats 105 verbunden werden können.
Die Grenzflächenschicht 111 kann auch Chemikalien beinhalten, die sich kovalent mit dem Templat 105, zum Beispiel ein Silan, verbinden können, und so die Oberflächenenergie und/oder Bindungs-Einfang-Zustände (bonding trap-states) ändern und/oder sich mit freien Bindungen an einer offenen Fläche des Templats 105 verbinden und/oder eine Dipolschicht, die die Effizienz für eine Ladungsextraktion erhöhen kann, einführen und/oder eine schädliche Ladungsrekombination reduzieren. Beispiele sind Funktionalisierung mit Benzosäure, verschiedene Karbonsäuregruppen enthaltende Materialien und andere Säuren, tert-Butylpyridin, Tenside, Farbstoffmoleküle, Silane und Siliziumverbindungen oder ihre funktionalisierten Derivate, die oft als Haftverstärker verwendet werden. Die Oberfläche des Templats 105 kann auch mit Silylierungsagenzien zur Modulation von Oberflächeneigenschaften funktionalisiert werden, und/oder zur Einführung von funktionellen Gruppen (Amingruppe, aliphatische Gruppe, Hydroxygruppe, Carboylgruppe usw.) zur weiteren Oberflächenderivatisierung. Insbesondere kann die Grenzflächenschicht 111 eine Schicht aus C₆₀ oder anderen Fullerenen sein, die mit einer Karbonsäurekomponente kombiniert mit Hydroxylieren eines Metalloxids funktionalisiert sind, wobei das Templatmaterial einen bevorzugten Ladungsfluss in das oder aus dem Templat 105 erzeugt. Eine solche Schicht kann auch unerwünschten direkten elektrischen Kontakt zwischen dem dritten Ladungstransfer-Material 109 und dem Templat 105 verhindern. Des Weiteren kann die Grenzflächenschicht 111 ein Rekombinations-reduzierendes anorganisches Material sein, wie zum Beispiel eine dünne Aluminiumoxidschicht, die zum Beispiel durch das ALD-Verfahren oder eine Flüssigphasenabscheidung abgeschieden wird.
Obwohl das zweite und dritte Ladungstransfer-Material 107, 109 als ein anorganisches Material bzw. ein organisches Material beschrieben werden, ist es möglich, die aktive Schicht 101 mit dem zweiten Ladungstransfer-Material 107 organisch und dem dritten Ladungstransfer-Material 109 anorganisch oder mit beiden Ladungstransfer-Materialien 107, 109, die entweder beide organisch oder beide anorganisch sind, zu machen. Eine mögliche Art und Weise, wie das zweite Ladungstransfer-Material 107 anorganisch sein kann, während das dritte Ladungstransfer-Material 109 auch anorganisch ist, ist das erste anorganische Ladungstransfer-Material mittels ALD-Verfahren abzuscheiden, was eine einheitliche, konforme Bedeckung des Nanotemplats ermöglicht, und dann das zweite anorganische Ladungstransfer-Material ebenfalls mittels ALD-Verfahren abzuscheiden. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das dritte Ladungstransfer-Material 109 die Form dünner länglicher Strukturen eines transparenten, leitfähigen Materials auf (zum Beispiel PEDOT, mit einem Dotierungsmittel, wie beispielsweise Polystyrensulfonsäure (PSS), dotiertes PEDOT, dotiertes 2,2'7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenyl-amin)-9,9'-spirobifluoren (spiro-MeOTAD), oder mit einem Dotierungsmittel, wie beispielsweise Polystyrensulfonsäure (PSS), dotiertes Polyanilin), das das zweite Ladungstransfer-Material 107 (zum Beispiel eine organische Schicht vom p-Typ) konform beschichtet und in dieses interdigitalisert, welches ein nanostrukturiertes Nanotemplat 105 vom n-Typ beschichtet. Die Nützlichkeit dieser Konfiguration rührt zum Teil von der Tatsache her, dass die Ladungsträger nur eine sehr kurze Distanz geleitet werden müssen, um ein leitfähiges Material zu erreichen, das zu einer Elektrode führt, was den Bedarf nach hoher Ladungsmobilität/ladungstragenden Materialien verringert.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weist das dritte Ladungstransfer-Material 109 die Form dünner länglicher Strukturen eines organischen Materials auf, zum Beispiel ein Polymer vom p-Typ oder eine kleine Molekül- (small molecule) Schicht mit einem gewissen Absorptionsbereich und einem HOMO-/LUMO-Niveau, das das zweite Ladungstransfer-Material 107 konform beschichtet und in dieses interdigitalisiert, zum Beispiel ein unterschiedliches Polymer vom p-Typ oder eine kleine Molekül- (small molecule) Schicht mit einem unterschiedlichen komplementären Absorptionsbereich und einem unterschiedlichen/komplementären HOMO-/LUMO-Niveau als das dritte Ladungstransfer-Material 109. Als Beispiel kann das zweite Ladungstransfer-Material 107 ein Polymer vom p-Typ sein, das ein Nanotemplat 105 vom n-Typ konform beschichtet. Die Nützlichkeit dieser Konfiguration rührt zum Teil von der Verwendung komplementärer Polymere oder kleiner Moleküle (small molecules) her, die zusammen den Absorptionsbereich für einfallendes Licht erweitern, was auch zu der möglichen Verwendung dünnerer Zellen führt (die dieselbe Energiemenge im Vergleich zu dickeren Zellen sammeln, die nur ein absorbierendes Material verwenden).
IV. HERSTELLUNG DER PHOTOVOLTAIKANLAGE
Vorrichtungen des in 1A–1E gezeigten Typs können gemäß Ausführungsformen eines erfinderischen Verfahrens hergestellt werden. 2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines solchen Verfahrens 200 darstellt. Beispiele, wie das Verfahren ausgeführt werden könnte, werden in den Sequenzen von Querschnittsdarstellungen, die in 3A–3M gezeigt werden, gezeigt. Das Verfahren 200 beginnt bei 202 durch Bilden eines nanostrukturierten Templats, das aus einem ersten Ladungstransfer-Material hergestellt wird, zum Beispiel durch Anodisieren einer Metallschicht, zum Beispiel ein Metallsubstrat oder ein Substrat mit wenigstens einem Metallmantel, das eine Anordnung von Templatelementen aufweist, die in einer im Wesentlichen einheitlichen Art und Weise verteilt sind. Bei 204 sind die Templatelemente mit einem zweiten Ladungstransfer-Material beschichtet, das komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf das Material des Templats aufweist. Bei 206 füllt ein drittes (optionales) Ladungstransfer-Material zusätzlichen Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material eingenommen ist. Elektroden können optional bei 208 hinzugefügt werden, und die resultierende Anlage kann optional bei 210 eingekapselt werden.
A. Bildung eines nanostrukturierten Templats
In Bezug auf Schritt 202 von 2 gibt es eine Anzahl verschiedener Methoden, um ein poröses Templat zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 3A –3B gezeigt, kann ein poröses Templat aus einer Metallschicht 308 (zum Beispiel Titandioxid, Zink oder anderen Metallen, deren Oxide Halbleiter vom n-Typ sind), das auf einem Substrat 316 angeordnet ist, anodisiert werden. Eine optionale Unterschicht (nicht gezeigt) kann zwischen dem Substrat 310 und der Metallschicht 308 angeordnet sein. Als Beispiel, wenn eine Metallschicht anodisch in einem Säure-Elektrolyt behandelt wird, kann ein Oxidfilm 305 an der Metallfläche, wie in 3B gezeigt, gebildet werden. Eine Anordnung von Templatelementen 303 kann in dem Oxidfilm 305 (zum Beispiel Titandioxid oder Zinkoxid oder andere halbleitende Oxide vom n-Typ) gebildet werden, während der Oxidfilm 305 erzeugt wird. Bei einem Oxidfilm 305, der aus einem halbleitenden oder leitenden Oxid, wie zum Beispiel Titanoxid oder Zinkoxid hergestellt ist, müssen sich die Templatelemente 303 nicht den ganzen Weg durch den Film 305 zu dem darunter liegenden Substrat 316 erstrecken. Es ist für die Elemente 303 oft wünschenswert, kurz vor dem Substrat 316 anzuhalten, was einen Teil des Oxidfilms 305 zurücklässt, um als eine Unterschicht zwischen den Elementen 303 und einem nicht oxidierten Teil, der als eine Elektrode 310 fungiert, zu fungieren.
Der optimale Dickenbereich für die zu anodisierende Metallschicht liegt von ungefähr 100 nm bis ungefähr 2 Mikrometer, vorzugsweise in dem Bereich von 200 nm bis 600 nm, zum Beispiel ungefähr 300 nm. Die Elemente 303, zum Beispiel Poren, können sich durch den Oxidfilm 305 erstrecken. Poröse Template in diesen Dickenbereichen stellen nützliche Tiefen für eine einwandfreie optoelektronische Funktion in der resultierenden PV-Anlage bereit. Um das Metallsubstrat (zum Beispiel Titan) auf sein poröses Metalloxidäquivalent zu anodisieren (zum Beispiel Titandioxid), können die Anodisierungsspannung, der Strom, die Säurekonzentration, die Anodisierungszeit und die Temperatur angepasst werden, um die Porenbildung in einem Metallfilm, dessen anfängliche Dicke im Bereich von (zum Beispiel) 100 – 250 nm liegt, zu verbessern. Insbesondere, basierend auf der Dicke des Metallsubstrats, können die Anodisierungsspannung, der Strom, der Säuretyp, die Säurekonzentration, die Elektrolyte-Zusatzstoffe, die Anodisierungszeit und die Temperatur angepasst werden, um ein poröses Templat mit spezifischen Zielabmessungen bereitzustellen.
Templatelementgrößen in solchen Filmen reichen typischerweise von 10 bis 250 nm, obwohl es auch möglich ist, Elemente so klein wie 2 nm und so groß wie 500 nm zu bilden. Die typische Templatelementdichte beträgt ungefähr 10¹² bis ungefähr 10¹⁶ Elemente pro Quadratmeter. Im Allgemeinen wird eine Filmdicke von 100 bis 500 Nanometer erreicht, obwohl Filme geformt werden können, deren Dicke so klein wie 10 nm und so groß wie 1000 nm ist.
Es ist auch möglich, das poröse Templat durch Anodisieren einer Metallschicht herzustellen, um einen Oxidfilm auf Glas, ITO-beschichtetem Glas, SnO₂-beschichtetem Glas, F:SnO₂-beschichtetem Glas, ITO-beschichtetem PET oder ein anderer Kunststoff, oder auf anderen beschichteten oder nicht beschichteten Metallfolien sowie metallisierten Kunststoffen zu bilden. Insbesondere kann das Substrat 316 eine Glas- oder Plastik- oder Metalltafel oder eine kontinuierliche Metall- oder Plastikfolie sein, wobei ein nicht anodisierter Teil der Metallschicht 308 als eine Basiselektrode fungiert. Alternativ kann die Metallschicht 308 den ganzen Weg hindurch zu dem Substrat 316 (oder zu der Unterschicht) anodisiert werden, das als eine Basiselektrode (transparent oder anderweitig) fungieren kann.
Ein natives Nanotemplat vom n-Typ kann mittels einer dünnen, biegsamen Ti-Folie gebildet werden, die in säurehaltiger Lösung (wie zum Beispiel verdünntes HF) bei 10 – 20 V und Raumtemperatur für 5 – 60 Minuten direkt anodisiert wird (Zwilling et al., 1999; Gong et al., 2001; Beranek et al. 2003). Abhängig von der Spannung, Säurestärke, Temperatur und Zeit können Nanoröhren eines gewünschten Durchmessers, einer gewünschten Höhe und Beabsfandung mit einer einheitlichen Verteilung über der Oberfläche erzeugt werden. Die Anodisierung kann auch in einer Base (wie zum Beispiel NaOH) erfolgen. Der pH-Wert der Anodisierungslösung kann geändert werden, indem die Konzentration der Säure oder Base in der Lösung geändert wird, oder indem eine zweite Säure oder Base hinzugemischt wird, oder beides. Die Spannung wird typischerweise durch Verwendung einer computergesteuerten Stromversorgung eingestellt und angepasst, die die Spannung als eine Funktion von Zeit in Echtzeit überwachen kann. Die Temperatur wird typischerweise durch Durchführung der Anodisierung in einem Wasserbad geregelt, das auf eine festgelegte Temperatur festgelegt ist. Ein Temperaturüberwachungsgerät kann in das Wasserbad gestellt werden, um die Temperatur zu bestimmen, und dieses Überwachungsgerät kann in ein rückkopplungsschleifengesteuertes Temperaturregelsystem integriert werden. Ein Beispiel eines auf diese Weise hergestellten nanostrukturierten Titandioxidtemplats wird in den REM-Bildern von 1F dargestellt. Der Skalenbalken in 1F beträgt 100 nm. Die gezeigten Titandioxid-Nanoröhren haben einen Durchmesser von ungefähr 35 nm.
In einer alternativen Ausführungsform kann ein halbleitendes nanostrukturiertes Templat wie folgt hergestellt werden: Ein geeignetes halbleitendes Material, zum Beispiel vom n-Typ, kann auf einer Elektrode abgeschieden werden. Eine Aluminiumschicht kann dann abgeschieden oder anderweitig auf der Fläche des halbleitenden Materials gebildet werden. Die Aluminiumschicht kann dann den ganzen Weg bis zu der Schicht des halbleitendes Materials hinunter anodisiert werden, wobei ein nanostrukturiertes Templat aus isolierendem Aluminiumoxid gebildet wird. Das Aluminiumoxidtemplat kann dann als eine Ätzmaske für einen Ätzprozess verwendet werden, der die Templatelemente in die halbleitende Schicht ätzt. Das Aluminiumoxidtemplat kann entweder während des Ätzprozesses oder daran anschließend entfernt werden. Eine solche Technik kann verwendet werden, um viele verschiedene Typen von Halbleitern, einschließlich Typen, die nicht nanostrukturiert werden können, durch Anodisierung einer Metallschicht zu nanostrukturieren. In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine Metallschicht, zum Beispiel Titanfolie, teilweise anodisiert werden, so dass ein anodisierter Teil das Templat 305 bildet, und ein nicht anodisierter Teil als die Elektrode 310 fungiert und auch als das Substrat 316 dienen kann. Teile 312 des Templats 305, die nahe einer Grenzfläche zwischen dem. anodisierten und nicht anodisierten Teil liegen, können als die Unterschicht fungieren.
B. Beschichten der Templatelemente mit dem zweiten Ladungstransfer-Material
In Bezug auf 204 von 2 könnte eine Vielzahl von Abscheidungstechniken, einschließlich der oben beschriebenen, angewandt werden, um die Templatelemente 303 zu füllen. Solche Techniken beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf elektrochemische und außenstromlose Abscheidung (Chemical Bath Deposition, CBD-Verfahren), Layer-by-Layer Deposition (LBL-Abscheidung), Verdampfen, Sputtern, Plattierung, Ionenplattierung, Molekularstrahlepitaxie und Abscheidung auf Solgel-Basis, Dampfphasenabscheidung, Lösungsmitteldampfabscheidung, Atomic Layer Deposition (ALD-Verfahren), Atomic Vapor Deposition (AVD-Verfahren), metallorganische Dampfphasenabscheidung, metallorganische Dampfphasenepitaxie, Selbstzusammenbau, elektrostatischer Selbstzusammenbau, Schmelzfüllung/-beschichtung unter anderem. Das zweite Ladungstransfer-Material 307 beschichtet die Templatelemente 303 in einer Weise, die dünne Röhrchen 301 bildet, die die Wände der Templatelemente 303, wie in 3C gezeigt, beschichten. Die Röhrchen 301 weisen Röhrchenporen 302 auf, die durch den Röhrchenbildungsprozess zurückgelassen werden. Zum Beispiel kann ein Halbleiter an den Wänden der Templatelemente 303 beschichtet werden, zum Beispiel durch Sputtern, CVD-Techniken oder ALD-Verfahren.
Obwohl das vorhergehende Beispiel das Beschichten der Templatelemente 303 mit einem anorganischen Material beschreibt, können die Templatelemente 303 alternativ mit einem organischen Material, wie zum Beispiel denjenigen, die oben aufgeführt sind, gefüllt werden. Des Weiteren können sowohl das zweite Ladungstransfer-Material 307 als auch ein komplementäres drittes Ladungstransfer-Material 309 anorganisch sein, oder beide könnten organisch sein. Des Weiteren könnten sowohl das zweite als auch das dritte Ladungstransfer-Material 307, 309 aus demselben Material sein.
C. Füllen von zusätzlichem Raum mit dem 3. Ladungstransfer-Material
In Bezug auf 206 von 2 gibt es mehrere verschiedene Methoden zusätzlichen Raum, der nicht von dem zweiten Ladungstransfer-Material 307 gefüllt wurde, zu füllen. Zum Beispiel kann das dritte Ladungstransfer-Material 309 die Röhrchenporen 302, wie in 3D gezeigt, füllen. Kurz prüfendes Material kann optional in die Böden der Röhrchenporen 302 abgeschieden werden, um Schutzstöpsel zu bilden. Das kurz prüfende Material kann abgeschieden werden, bevor das zweite Ladungstransfer-Material 307 abgeschieden wird. Das zweite und dritte Ladungstransfer-Material 307, 3O9 können beide organische Materialien, wie oben beschrieben, sein. Solche organische Materialien können durch Kapillarwirkung, Schmelzen und/oder durch die Mithilfe von Oberflächenenergie oder osmotischen Gradienten oder Lösungsmitteldampfaussetzen abgeschieden werden. Organische Polymere und andere Materialien, wie zum Beispiel jene, die oben beschrieben worden sind, können bei diesem Schritt verwendet werden, und zwar allein oder in Kombination. Organische Ladungstransfer-Materialien können auf die Röhrchenporen 302 aus Prozesslösungen angewandt werden, zum Beispiel durch irgendeine geeignete Technik, beispielsweise Gießen, Dip Coating, Web Coating, Lösungsmitteldampfinfiltration, Lösungsmitteldampfabscheidung, organische Dampfphasenabscheidung (OVPD-Verfahren), Streichverfahren, Sprühbeschichtung, Spin Coating, oder einer Drucktechnik, wie zum Beispiel Siebdruck, Tintenstrahldruck, Flexodruck, Tiefdruck, Mikrotiefdruck und ähnliche. Alternativ können organische Materialien verdampft werden. Des Weiteren können anorganische Materialien mittels irgendeines von mehreren Verfahren, wie zum Beispiel die oben beschriebenen, abgeschieden werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Solgel-Chemie, Layer-by-Layer Deposition (LBL-Abscheidung), Sprühpyrolyse, Verdampfung, Atomic Layer Deposition (ALD-Verfahren), Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD-Verfahren), Chemical Vapor Deposition (CVD-Verfahren), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD-Verfahren), Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD-Verfahren), Sputtern und ähnliche. Wärme kann während dieses Schritts auf die nanostrukturierte Netzwerkschicht und das netzwerkfüllende Material angewandt werden, zum Beispiel für organische Abscheidungen, um Lösungsmittel zu verdampfen und das netzwerkfüllende Material auszuhärten und/oder Materialinfiltration zu unterstützen, beispielsweise durch Kapillarwirkung und/oder Unterstützung von Oberflächenenergie oder osmotische Kraft, oder für anorganische Abscheidungen, um das anorganische Material zu glühen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das organische Material einem Lösyngsmitteldampf ausgesetzt werden, um Infiltration in die Röhrchenporen 302 zu erleichtern.
Alternativ kann das zweite Ladungstransfer-Material, wie oben beschrieben, Fullerene (C₆₀ und C₇₀ und ähnliche), funktionalisierte Fullerene, Kohlenstoff-Nanoröhren, Farbstoffe, Ruthenium-Farbstoffe, Pigmente, und organische Monomere, Oligomere, und Polymere beinhalten, von denen welche einzeln oder in Kombination in die Nanostruktur abgeschieden werden können. Diese organischen Materialien können mittels irgendeiner von mehreren Techniken abgeschieden werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Lösungsmitteldampfabscheidung, Dampfphasenabscheidung, Kapillarwirkung und/oder durch osmotische Gradienten unter Verwendung von Flüssiglösungen, welche die abzuscheidenden Materialien enthalten, oder durch Verdampfen des organischen Materials in die Templatelemente 303. Erfolgt die Abscheidung mittels Kapillarwirkung, kann sanftes Erwärmen für 1 – 10 Minuten bei ungefähr 150 – 200°C während der Materialabscheidung verwendet werden. Zusätzlich können Kohlenstoff-Nanoröhren direkt in den Templatelementen 303 oder den Röhrchenporen 302 mittels beispielsweise Chemical Vapour Deposition (CVD-Verfahren) synthetisiert werden. Zusätzlich können das zweite und/oder dritte Ladungstransfer-Material 307, 309 anorganische Materialien sein, die durch geeignete, oben beschriebene Verfahren abgeschieden werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf ALD, PEALD, CVD, PECVD, MOCVD, Sputtern, Verdampfen, galvanische Metallabscheidung, Chemical Bath Deposition (CBD-Verfahren), LBL und ähnliche. Des Weiteren können das zweite und/oder dritte Ladungstransfer-Material 307, 309 und/oder eine Grenzflächenschicht, wie die oben in Bezug auf 1E beschriebene, durch Selbstzusammenbau oder elektrostatischen Selbstzusammenbau von Materialien, wie zum Beispiel PEDOT/PSS oder andere Materialien, die aus ionischen/geladenen Polymerlösungen abgeschieden werden (zum Beispiel Tetra-Hydro-Thiophen-Vorgänger, Poly-Phenylen-Vinylen und Derivate), erzeugt werden.
Die Anlage kann, wie in 3E gezeigt, fertig gestellt werden. Eine Zwischenschicht 304, zum Beispiel ein Polymer, wie beispielsweise PSS:PEDOT, kann optional auf dem oberen Ende des dritten Ladungstransfer-Materials 309 abgeschieden werden. Eine Elektrode in der Form eines feinen Metallgitters oder dünnen Metallfilms kann dann hinzugefügt werden. Die Endanlage kann eingekapselt werden, um mechanische Stabilität und/oder Schutz vor der Außenumgebung bereitzustellen.
V. ALTERNATIVE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Obwohl das Templat 105 als aus einem anorganischen Material hergestellt beschrieben wird und das zweite und dritte Ladungstransfer-Material 107, 109 beide organisch sind, sind andere Konfigurationen der aktiven Schicht 101 möglich, einschließlich aller organischen und/oder aller anorganischen Anlagen. Im Allgemeinen neigen organische Materialien dazu, fragiler als anorganische Materialien zu sein. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können fragilere Materialien im Allgemeinen auf oder in weniger fragile Materialien beschichtet werden, aber gewöhnlich nicht umgekehrt. Daher könnten zum Beispiel das Templat 105 und das zweite Ladungstransfer-Material 107 anorganisch sein, während das dritte Ladungstransfer-Material 109 typischerweise organisch wäre. Des Weiteren können alle drei Ladungstransfer-Materialien entweder vollständig organisch oder vollständig anorganisch sein. Es gibt jedoch potentielle Ausführungsformen, wo ein anorganisches Material auf ein anorganisches Material beschichtet wird. Zum Beispiel kann ein funktionalisiertes C₆₀, wie zum Beispiel C₆₀-COOH, das als eine Grenzflächenschicht dient, die ein darunter liegendes Material beschichtet, mit einem anorganischen Material beschichtet werden. In diesem Fall ist es wünschenswert das anorganische Material unter Bedingungen abzuscheiden, die nicht zu der Zerstörung oder beträchtlichen Degradation des organischen Materials führt, zum Beispiel durch Vermeidung der Aussetzung einem Plasma oder einer extrem hohen Hitze während des Prozesses der anorganischen Abscheidung.
Die hierin beschriebenen Anlagen enthalten mehrere Fortschritte gegenüber Anlagen vom Stand der Technik. Insbesondere sind die hierin beschriebenen Anlagen Festkörperanlagen, die kein flüssiges Elektrolyt enthalten. Daher unterliegen Anlagen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung deutlich weniger Leck- und Korrosionsproblemen des Typs, der mit Anlagen, die flüssige Elektolyte verwenden, verbunden ist. Des Weiteren weisen die hierin beschriebenen Anlagen eine ladungsspaltende Schicht mit einer einheitlicheren Struktur als Anlagen vom Stand der Technik auf. Insbesondere weisen die hierin beschriebenen Anlagen eine aktive Schicht auf, die durch volumetrisch interdigitaliserende Ladungstransfer-Materialien mit regelmäßig angeordneten Templatelementen gekennzeichnet ist, die eine im Wesentlichen einheitliche Beabstandung innerhalb der Ebene der aktiven Schicht und eine im Wesentlichen parallele Ausrichtung und einheitliche Länge senkrecht zu der Ebene der aktiven Schicht aufweisen. Daher weist die ladungsspaltende Schicht eine drei-dimensionale Topologie auf, die entlang ihrer Länge und Breite, aber auch entlang ihrer Tiefe sehr regelmäßig ist.
Zusätzlich hängen die hierin beschriebenen Anlagen nicht vollständig von einer Monoschicht eines Farbstoffs ab, der als ein Lichtabsorbierer zu einem anorganischen Material vom n-Typ adsorbiert wird. Stattdessen verwenden Anlagen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung typischerweise einen Lichtabsorbierer vom p-Typ, der fähig ist, Licht in der Masse des Materials zu absorbieren. Folglich absorbieren Anlagen des hierin beschriebenen Typs Licht wirksamer und können auf einer Volumenbasis bei der Umwandlung von einfallendem Licht in elektrische Energie effizienter sein. Obwohl ein Farbstoff optional in den hierin beschriebenen Anlagen beinhaltet sein kann, wird der Farbstoff nicht für die Anlage gebraucht, um Licht in elektrische Energie umzuwandeln, wie es der Fall bei farbstoffsensibilisierten Solarzellen ist. Daher sind die hierin beschriebenen Anlagen nicht "farbstoffsensibilisiert".
Zusätzlich können Anlagen des hierin beschriebenen Typs im Wesentlichen dünner als Anlagen vom Stand der Technik hergestellt werden. Zum Beispiel mit einer Dicke von ungefähr 2 Mikrometer oder wesentlich weniger können Solarzellenanlagen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erheblich dünner als die typischerweise 8 – 10 Mikrometer dicken Graetzel-Zellen oder die typischerweise 4 – 5 Mikrometer dicken rein anorganischen Zellen sein.
Des Weiteren, im Unterschied zu Zellen, die aus gesinterten Partikeln bestehen, basiert das hierin beschriebene Templatfüller-Konstruktionsverfahren auf einem sich im Wesentlichen selbst zusammenbauenden Templat, das eine viel größere Fernordnung aufweist.
Des Weiteren verwenden die hierin beschriebenen Anlagen kein Elektrolyt auf Flüssigkeitsbasis noch eine "Redox"-Chemie, um Löcher aus dem lichtabsorbierenden Material wegzutransportieren. Stattdessen transportiert ein organisches Festkörpermaterial vom p-Typ Löcher aus der ladungsspaltenden Grenzfläche.
VI. FAZIT
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine kostengünstige Herstellung von effizienten Photovoltaikanlagen, wie zum Beispiel Solarzellen oder andere Anlagen, im großen Umfang.
Während das vorstehend Genannte eine vollständige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ist es möglich, verschiedene Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente zu verwenden.

Claims

Photovoltaikanlage, umfassend: ein nanostrukturiertes Templat, das aus einem ersten Ladungstransfer-Material vom n-Typ hergestellt ist, wobei das nanostrukturierte Templat Templatelemente zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 500 nm im Durchmesser mit einer Templatelementdichte von zwischen ungefähr 10¹² Elementen/m² und ungefähr 10¹⁶ Elementen/m² aufweist; ein zweites Ladungstransfer-Material, das eine oder mehrere Wände der Templatelemente konform beschichtet und zusätzlichen Raum zurücklässt, worin das erste Ladungstransfer-Material vom n-Typ ist und das zweite Ladungstransfer-Material vom p-Typ ist; und ein drittes Material in dem zusätzlichen Raum, worin das dritte Material ein Material vom p-Typ oder ein leitendes Material ist, das volumetrisch mit dem zweiten Ladungstransfer-Material interdigitalisiert, worin sich ein niedrigstes unbesetztes Molekularorbital (LUMO) oder Leitungsband des ersten Ladungstransfer-Materials von einem LUMO oder Leitungsband des zweiten Ladungstransfer-Materials um weniger als ungefähr 1 eV unterscheidet, worin eine Lichtabsorption von wenigstens einem Ladungstransfer-Material größer als ungefähr 10³/cm bei der Spitze des Absorptionsspektrums ist.
Anlage nach Anspruch 1, worin das dritte Ladungstransfer-Material die Form einer oder mehrerer länglicher Strukturen aufweist, die volumetrisch mit dem zweiten Ladungstransfer-Material interdigitalisieren.
Anlage nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Basiselektrode und eine Topelektrode, worin das nanostrukturierte Templat zwischen der Basiselektrode und Topelektrode angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 3, worin das erste Ladungstransfer-Material in elektrischem Kontakt mit der Basiselektrode steht und das dritte Ladungstransfer-Material mit der Topelektrode in Kontakt steht.
Anlage nach Anspruch 3, ferner umfassend einen oder mehrere Materialstöpsel an den Spitzen der länglichen Strukturen, worin die Stöpsel vor unerwünschtem elektrischen Kontakt zwischen dem dritten Ladungstransfer-Material und dem Templat und/oder der Basiselektrode schützen.
Anlage nach Anspruch 3, worin das dritte Ladungstransfer-Material ein transparentes, leitfähiges Material ist.
Anlage nach Anspruch 3, worin das dritte Ladungstransfer-Material ein organisches, halbleitendes Material beinhaltet.
Anlage nach Anspruch 7, worin das dritte Ladungstransfer-Material einen unterschiedlichen Lichtabsorptionsbereich und/oder ein unterschiedliches HOMO-/LUMO-Niveau als das zweite Ladungstransfer-Material aufweist.
Anlage nach Anspruch 2, worin eine oder mehrere der Basis- und Topelektroden eine transparente Elektrode ist.
Anlage nach Anspruch 1, worin das erste Ladungstransfer-Material ein anorganisches Material ist, und das zweite und dritte Ladungstransfer-Material organische Materialien sind.
Anlage nach Anspruch 1, worin das erste Ladungstransfer-Material ein elektrisch halbleitendes oder leitendes Material ist.
Anlage nach Anspruch 1, worin das zweite Ladungstransfer-Material die Templatelemente bis zu einer Höhe beschichtet, die im Wesentlichen mit einer Oberseite des Templats gleich ist.
Anlage nach Anspruch 1, worin das erste, zweite oder dritte Ladungstransfer-Material ein oder mehrere Materialien aus der Gruppe Titanoxid, Zinkoxid (ZnO), Kupferoxid, Kupfersulfid, Zirconiumdioxid, Lanthanoxid, Niobiumoxid, Wolframoxid, Zinnoxid, Indiumzinnoxid (ITO), Strontiumoxid, Calcium-/Titanoxid, Indium(III)-oxid, Vanadiumoxid, Zirconiumdioxid, Molybdänoxid, Vanadiumoxid, Strontiumoxid, Natriumtitanat, Kaliumniobat, Silizium, Wolframoxid, Cadmiumselenid (CdSe), Zinkselenid (ZnSe), Cadmiumsulfid (CdS), Cadmiumtellurid (CdTe), Cadmiumselenid (CdSe), Cadmiumtelluridselenid (CdTeSe), CIS, CISe, CIGS (CuInGaSe₂), Kupfer-Indium-Selenid, Cadmium(II)-oxid oder Mischungen von bzw. Legierungen aus zwei oder mehreren dieser Materialien beinhaltet.
Anlage nach Anspruch 1, worin das erste Ladungstransfer-Material ein transparentes, leitfähiges Oxid beinhaltet.
Anlage nach Anspruch 15, worin das erste Ladungstransfer-Material Titanoxid oder Zinkoxid beinhaltet.
Anlage nach Anspruch 15, worin das zweite Ladungstransfer-Material ein halbleitendes Material vom p-Typ ist.
Anlage nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Grenzflächenschicht, die zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 17, worin die Grenzflächenschicht ein oder mehrere Materialien beinhaltet, die aus der Gruppe der Fullerene, dotierten Fullerene, funktionalisierten Fullerene, C₆₀-COOH, dotierten funktionalisierten Fullerene, Azafullerene, polymerisierten Fullerene (dotiert oder undotiert), funktionalisierten polymerisierten Fullerene (dotiert oder undotiert), Phenyl-C₆₁-Buttersäuremethylester (PCBM), Kohlenstoff-Nanoröhren, Farbstoffe, Ruthenium-Farbstoffe, Pigmente, organischen Monomere, Oligomere, und Polymere, Tetra-Hydro-Thiophen-Vorgänger-Polymere und deren Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und dessen Derivate, konjugierten Polymere und/oder Mischungen dieser Materialien gewählt sind.
Anlage nach Anspruch 17, worin die Grenzflächenschicht eine oder mehrere Chemikalien beinhaltet, die sich kovalent an das erste Ladungstransfer-Material binden und eine Oberflächenenergie und/oder Bindungs-Einfang-Zustände (bonding trap-states) ändern und/oder sich an freie Bindungen an einer offenen Oberfläche des ersten Ladungstransfer-Materials binden und/oder eine Dipolschicht, die die Effizienz für eine Ladungsextraktion erhöhen kann, einführen und/oder eine schädliche Ladungsrekombination reduzieren können.
Anlage nach Anspruch 17, worin die Grenzflächenschicht C₆₀ oder andere Fullerene beinhaltet, die mit einer Karbonsäurekomponente funktionalisiert sind.
Anlage nach Anspruch 1, worin das zweite Ladungstransfer-Material zwei oder mehrere komplementäre Ladungstransfer-Materialien beinhaltet, die zusammengemischt sind.
Anlage nach Anspruch 1, worin sowohl das zweite als auch das dritte Ladungstransfer-Material organische Materialien sind.
Anlage nach Anspruch 1, worin das eine oder mehrere der zweiten und dritten Ladungstransfer-Materialien ein Material beinhalten, das aus der Gruppe der Polymere, Copolymere oder Mischungen auf Thiophen-, Fluor- oder Aryl-Vinyl-Basis, Polyphenylen und dessen Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und dessen Derivate, Poly(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen) (MEH-PPV), Polyparaphenylenvinylen, (PPV), PPV-Copolymeren, Polythiophen und dessen Derivate, Poly-3-Oktylthiophen-2,5-diyl regioregulär, Poly-3-Oktylthiophen-2,5-diyl bereichszufällig (regiorandom), Poly(3-Hexylthiophen) (P3HT), Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl) regioregulär, Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl) bereichszufällig (regiorandom), Poly(thienylenevinylen) und dessen Derivate, Poly(isothiananaphthen) und dessen Derivate, Tetra-Hydro-Thiophen-Vorgänger und deren Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und Derivate, organometallische Polymere, Polymere, die Peryleneinheiten enthalten, Polysquaraine und ihren Derivate, diskotischen Flüssigkristall-Polyfluorene, Polyfluoren-Copolymere, Copolymere und Mischungen auf Polyfluorenbasis, Copolymere auf Polyfluorenbasis, die mit ladungstransportierenden Verbindungen copolymerisiert und/oder gemischt sind, Copolymere auf Polyfluorenbasis, die mit Triphenylaminen und/oder Derivaten copolymerisiert und/oder gemischt sind, Copolymere auf Polyfluorenbasis, die mit lichtabsorbierenden Verbindungen copolymerisiert und/oder gemischt sind, Copolymere auf Polyfluorenbasis, die mit geschmolzenen Tiophenringen und Derivaten oder Heteroatom-Ringverbindungen mit oder ohne Substituenten copolymerisiert und/oder gemischt sind, Pigmente, Farbstoffe, oder Fullerene und Mischungen dieser Materialien gewählt ist.
Anlage nach Anspruch 1, worin ein oder mehrere der zweiten und dritten Ladungstransfer-Materialien ein Pigment, Farbstoff oder kleines Molekül (small molecule) sind, das bzw. der aus der Gruppe organischer Pigmente oder Farbstoffe, Azofarbstoffe mit Azochromophoren (-N=N-), die aromatische Gruppen binden, Phtalocyanine, einschließlich metallfreies Phtalocyanin; (HPc), Zink-Phtalocyanin (ZnPc), Kupfer-Phtalocyanin (CuPc), Perylene, Naphthalocyanine, Squaraine, Merocyanine und ihre entsprechenden Derivate, Polysilane, Polygerminate, 2,9-Di(pent-3-yl)-anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f]diisochinolin-1,3,8,10-tetron, und 2,9-Bis-(1-hexyl-hept-1-yl)-anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f]diisochinolin-1,3,8,10-tetron, Pentacen und/oder Pentacen-Vorgänger, und Mischungen zweier oder mehrerer dieser Materialien gewählt ist.
Anlage nach Anspruch 1, worin ein oder mehrere der zweiten oder dritten Ladungstransfer-Materialien ein oder mehrere Materialien beinhalten, die aus der Gruppe der Fullerene, dotierten Fullerene, funktionalisierten Fullerene, dotierten funktionalisierten Fullerene, Azafullerene, polymerisierten Fullerene (dotiert oder undotiert), funktionalisierten polymerisierten Fullerene (dotiert oder undotiert), Kohlenstoff-Nanoröhren, Farbstoffe, Ruthenium-Farbstoffe, Pigmente, organischen Monomere, Oligomere, und Polymere, Tetra-Hydro-Thiophen-Vorgänger-Polymere und deren Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und dessen Derivate, konjugierten Polymere und Mischungen dieser Materialien gewählt sind.
Anlage nach Anspruch 1, worin die Templatelemente die Form von hohlen Röhren aufweisen, die aus dem Templat mit Räumen zwischen den Seitenwänden der Röhren hervorstehen.
Anlage nach Anspruch 1, worin das dritte Ladungstransfer-Material ein oder mehrere transparente, leitende Materialien beinhaltet.
Anlage nach Anspruch 27, worin das eine oder mehrere transparente, leitende Materialien. PEDOT, mit einem Dotierungsmittel dotiertes PEDOT, mit Polystyrensulfonsäure (PSS) dotiertes PEDOT, dotiertes 2,2'7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenyl-amin)-9,9'-spirobifluoren (dotiertes spiro-MeOTAD), dotiertes spiro-MeOTAD, mit einem Dotierungsmittel dotiertes Polyanilin, und/oder mit einem Dotierungsmittel Polystyrensulfonsäure (PSS) dotiertes Polyanilin beinhalten.
Anlage nach Anspruch 27, worin das eine oder mehrere transparente, leitende Materialien das zweite Ladungstransfer-Material konform beschichten und in dieses interdigitalisieren.
Anlage nach Anspruch 1, worin sowohl das zweite als auch das dritte Ladungstransfer-Material anorganische Materialien sind.
Anlage nach Anspruch 1, worin das zweite und dritte Ladungstransfer-Material dasselbe Material ist.
Photovoltaikanlage, umfassend: eine Basiselektrode; eine Topelektrode; ein nanostrukturiertes Templat, das zwischen der Basiselektrode und Topelektrode angeordnet ist, worin das nanostrukturierte Templat aus einem Material vom n-Typ hergestellt ist, wobei das nanostrukturierte Templat Templatelemente zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 500 nm im Durchmesser mit einer Templatelementdichte von zwischen ungefähr 10¹² Elementen/m² und ungefähr 10¹⁶ Elementen/m² aufweist; ein Material vom p-Typ, das eine oder mehrere Wände der Templatelemente in einer Weise beschichtet, die zusätzlichen Raum zurücklässt; und ein Ladungstransfer-Material in dem zusätzlichen Raum, worin das Ladungstransfer-Material volumetrisch mit dem Material vom p-Typ interdigitalisiert.
Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikanlage, umfassend die Schritte: Bilden eines nanostrukturierten Templats aus einem ersten Ladungstransfer-Material, wobei das nanostrukturierte Templat Templatelemente zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 500 nm im Durchmesser mit einer Templatelementdichte von zwischen ungefähr 10¹² Elementen/m² und ungefähr 10¹⁶ Elementen/m² aufweist; Beschichten einer oder mehrerer Wände der Templatelemente mit einem zweiten Ladungstransfer-Material in einer Weise, die zusätzlichen Raum zurücklässt, worin das zweite Ladungstransfer-Material komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf das erste Ladungstransfer-Material aufweist; und Füllen des zusätzlichen Raums mit einem dritten Ladungstransfer-Material.
Verfahren nach Anspruch 33, worin das erste Ladungstransfer-Material Titanoxid oder Zinkoxid beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 33, worin das Bilden eines nanostrukturierten Templats das Anodisieren einer Metallschicht beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 33, ferner umfassend das Anordnen einer Grenzflächenschicht zwischen dem zweiten und dritten Ladungstransfer-Material.
Verfahren nach Anspruch 33, worin das dritte Ladungstransfer-Material eine oder mehrere längliche Strukturen beinhaltet, die mit dem zweiten Ladungstransfer-Material interdigitalisieren.
Verfahren nach Anspruch 37, ferner umfassend das Beschichten einer oder mehrerer Spitzen der länglichen Strukturen mit einem kurz prüfenden Material.
Verfahren nach Anspruch 33, worin das Beschichten einer oder mehrerer Wände der Templatelemente mit dem zweiten Ladungstransfer-Material das Anordnen des zweiten Landungstransfer-Materials an den Wänden des nanostrukturierten Templats beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 39, worin das Anordnen des zweiten Ladungstransfer-Materials an den Wänden des nanostrukturierten Templats die Verwendung einer Technik beinhaltet, die aus der Gruppe elektrochemischer Abscheidung, außenstromloser Abscheidung (Chemical Bath Deposition, CBD-Verfahren), Layer-by-Layer Deposition (LBL-Abscheidung), Verdampfen, Sputtern, Plattierung, Ionenplattierung, Molekularstrahlepitaxie und Abscheidung auf Solgel-Basis, Sprühpyrolyse, Dampfphasenabscheidung, Lösungsmitteldampfabscheidung, Atomic Layer Deposition (ALD-Verfahren), Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD-Verfahren), Atomic Vapor Deposition (AVD-Verfahren), metallorganischer Dampfphasenabscheidung, metallorganischer Dampfphasenepitaxie, Chemical Vapor Deposition (CVD-Verfahren), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD-Verfahren), Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD-Verfahren), Selbstzusammenbau, elektrostatischen Selbstzusammenbau, Schmelzfüllung/-beschichtung, Elektroabscheidung, Elektroplattierung, Ionenplattierung oder Flüssigphasenabscheidung gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 33, worin das Füllen des zusätzlichen Raums mit dem dritten Ladungstransfer-Material das Abscheiden des dritten Ladungstransfer-Materials durch eine Technik beinhaltet, die aus der Gruppe elektrochemischer Abscheidung, außenstromloser Abscheidung (Chemical Bath Deposition, CBD-Verfahren), Layer-by- Layer Deposition (LBL-Abscheidung), Verdampfen, Sputtern, Plattierung, Ionenplattierung, Molekularstrahlepitaxie und Abscheidung auf Solgel-Basis, Sprühpyrolyse, Dampfphasenabscheidung, Lösungsmitteldampfabscheidung, Atomic Layer Deposition (ALD-Verfahren), Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD-Verfahren), Atomic Vapor Deposition (AVD-Verfahren), metallorganischer Dampfphasenabscheidung, metallorganischer Dampfphasenepitaxie, Chemical Vapor Deposition (CVD-Verfahren), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD-Verfahren), Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD-Verfahren), Selbstzusammenbau, elektrostatischen Selbstzusammenbau, Schmelzfüllung/-beschichtung, Elektroabscheidung, Elektroplattierung, Ionenplattierung oder Flüssigphasenabscheidung gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 33, worin das dritte Ladungstransfer-Material ein oder mehrere transparente, leitende Materialien beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 42, worin das eine oder mehrere transparente, leitende Materialien PEDOT, mit einem Dotierungsmittel dotiertes PEDOT, mit Polystyrensulfonsäure (PSS) dotiertes PEDOT, dotiertes 2,2'7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenyl-amin)-9,9'-spirobifluoren (dotiertes spiro-MeOTAD), dotiertes spiro-MeOTAD, mit einem Dotierungsmittel dotiertes Polyanilin, und/oder mit Polystyrensulfonsäure (PSS) dotiertes Polyanilin beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 42, worin das eine oder mehrere transparente, leitende Materialien das zweite Ladungstransfer-Material konform beschichten und in dieses interdigitalisieren.
Verfahren nach Anspruch 44, worin das eine oder mehrere transparente, leitende Materialien PEDOT, mit einem Dotierungsmittel dotiertes PEDOT, mit Polystyrensulfonsäure (PSS) dotiertes PEDOT, dotiertes 2,2'7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenyl-amin)-9,9'-spirobifluoren (dotiertes spiro-MeOTAD), mit einem Dotierungsmittel dotiertes Polyanilin, und/oder mit Polystyrensulfonsäure (PSS) dotiertes Polyanilin beinhalten.