DE102005003846A1 - Photovoltaikanlagen, die aus einem isolierenden, nanostrukturierten Templat hergestellt werden - Google Patents

Photovoltaikanlagen, die aus einem isolierenden, nanostrukturierten Templat hergestellt werden Download PDF

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Abstract

Photovoltaikanlagen, wie zum Beispiel Solarzellen, und Verfahren für deren Herstlelung werden offenbart. Eine Anlage kann durch eine Architektur mit einem anorganischen, isolierenden, nanostrukturierten Templat gekennzeichnet sein, das Templatelemente zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 500 nm im Durchmesser mit einer Elementdichte von zwischen ungefähr 10·12· Elementen/m·2· und ungefähr 10·16· Elementen/m·2· aufweist. Ein erstes Ladungstransfer-Material beschichtet die Wände der Templatelemente und lässt zusätzlichen Raum zurück. Ein zweites Ladungstransfer-Material füllt den zusätzlichen Raum, so dass das erste und zweite Ladungstransfer-Material volumetrisch interdigitalisiert sind. Wenigstens ein Ladungstransfer-Material weist eine Absorption größer als ungefähr 10·3·/cm auf. Das erste und zweite Ladungstransfer-Material weisen komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug aufeinander auf. Ein niedrigstes unbesetztes Molekularorbital (LUMO) oder Leitungsband des ersten Ladungstransfer-Materials ist von einem LUMO oder Leitungsband des zweiten Ladungstransfer-Materials um mehr als ungefähr 0,2 eV versetzt. Ein elektrisch leitfähiges Material kann optional zwischen dem nanostrukturierten Templat und dem ersten Ladungstransfer-Material angeordnet sein.

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
  • Herkömmliche Solarzellen machen Elektrizität aus Licht nutzbar, indem der photovoltaische Effekt, der an Halbleiter-Verbindungsstellen besteht, wo ein Halbleiter Licht absorbiert und gleichzeitig die elektrische Ladungen ("Elektronen" und "Löcher") entkoppelt, die aufgrund dieser Absorption entstehen, ausgenutzt wird. Während jedoch diese Zellen eine inhärent hohe Stabilität aufweisen, müssen ihre Halbleiter-Materialien sehr rein und fehlerfrei sein, um die Rekombination von Elektronen und Löchern vor ihrer Trennung zu vermeiden, was zu sehr hohen Herstellungskosten führt (> $ 300,00/m2).
  • 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 organischen und hybrid organischen/anorganischen Solarzellenanlagen vom Stand der Technik ist die Morphologie der aktiven Schicht quasizufällig. Ansätze basierend auf dem Vermischen zweier oder mehrerer Materialien führen zu einer Mischung ohne Kontrolle über die genaue Anordnung der Materialien außer dass sie statistisch in einem gewünschten Verhältnis durchgemischt werden. Ferner können sich Materialien in vermischten Zellen oft in Klumpen (die typischerweise zwischen anderen Bereichen von zu geringer Dichte eingestreut sind) ansammeln und tun dies auch. Das Ergebnis jeder unregelmäßigen Verteilung ist eine suboptimale Ladungsspaltung, ein suboptimaler Ladungstransport (durch Verluste aufgrund von schwacher Perkolation in den elektronen- und/oder lochtransportierenden Materialien) sowie unsichere Ausrichtbarkeit auf dickere Zellen (wie erforderlich sein kann, um ausreichende Mengen für höhere Effizienzen zu absorbieren) oder für größer flächige Zellen. Des Weiteren erforderte in 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 Anlageneffizienz.
  • 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 Cul 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 ein schematisches Energieniveau-Diagramm, das Energieniveaus für zwei komplementäre Ladungstransfer-Materialien darstellt.
  • 1D ist eine vertikale schematische Querschnittsdarstellung einer Nahaufnahme eines Teils der Anlage von 1A.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer Anlage gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellt.
  • 3A–3F zeigen eine Reihe vertikaler schematischer Querschnittsdarstellungen, die eine mögliche Sequenz von Schritten zum Ausführen des Verfahrens von 2 darstellen.
  • 4A zeigt ein Rasterelektronenmikroskop- (REM) Bild eines vertikalen Querschnitts eines nanostrukturierten Aluminiumoxid-Templats.
  • 4B zeigt ein Rasterelektronenmikroskop- (REM) Bild eines horizontalen Querschnitts eines nanostrukturierten Aluminiumoxid-Templats.
  • 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.
  • Höhe-Breite-Verhältnis: bezieht sich auf das Verhältnis der Porenhöhe oder -tiefe zur Porenbreite.
  • Bandlücke: bezieht sich auf den Energieunterschied zwischen dem HOMO- und LUMO-Niveau (oder zwischen dem Leitungs- und Valenzband) in einem Ladungstransfer-Material oder Halbleiter.
  • 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.
  • Säule bezieht sich auf einen im Wesentlichen festen Materialzylinder.
  • Komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften: Wie hierin verwendet, sollen ein erstes und zweites Halbleitermaterial 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 Oberfläche 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, SnOx, F-dotiertes SnOx, Al-dotiertes ZnOx, ZnOx usw.) als auch nicht leitfähige Materialien wie zum Beispiel AlOx, SiOx 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 Zehntel von nm quer zu haben.
  • 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.
  • In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine Photovoltaikanlage aus einem anorganischen, isolierenden, nanostrukturierten Templat konstruiert. Ein erstes Ladungstransfer-Material beschichtet die Wände der Templatelemente und lässt zusätzlichen Raum zurück. Eine optionale leitfähige Beschichtung kann auf das isolierende, nanostrukturierte Templat aufgetragen werden, bevor es mit dem ersten Ladungstransfer-Material beschichtet wird. Ein zweites (komplementäres) Ladungstransfer-Material füllt den zusätzlichen Raum, so dass das erste und zweite Ladungstransfer-Material volumetrisch interdigitalisieren. Wenigstens eines der Ladungstransfer-Materialien absorbiert Licht oder eine andere Strahlung. In besonderen Ausführungsformen sind das erste und zweite Ladungstransfer-Material halbleitende Materialien vom n-Typ und vom p-Typ.
  • III. PHOTOVOLTAIKANLAGE
  • 1A–1B zeigen 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 transparente Leitelektrode (TCE) 106 (oder umgekehrt), angeordnet ist. Eine optionale Grenzflächenschicht 104 kann zwischen der aktiven Schicht 101 und der TCE 106 angeordnet sein. Zusätzlich kann eine halbleitende oder leitende Unterschicht 111 optional zwischen der aktiven Schicht 101 und der Basiselektrode 110 angeordnet sein. Als Beispiel und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit kann die Unterschicht 111 eine Metallfolie, wie zum Beispiel rostfreier Stahl, Aluminium oder Titan, sein, die als eine Ätz-Stopp- oder Anodisierungs-Stoppschicht dienen kann. Alternativ kann die Unterschicht 111 eine Schicht aus Titandioxid oder Zinkoxid oder einem anderen Metalloxid sein.
  • Die TCE 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 eine C-, Au-, Ag-, Al- oder Cu-beschichtete Stahl- oder Al-Folie oder metall-/legierungsbeschichtete Plastikfolien, einschließlich Metall- oder metallisierter Plastiksubstrate/-folien, die optional geebnet werden können, 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 TCE 106 kann eine Schicht eines transparenten, leitenden Oxids (TCO), wie zum Beispiel Indiumzinnoxid (ITO) oder fluoriertes Zinnoxid (F:SnO2), sein. Die TCE 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 organisches Material, wie beispielsweise ein leitendes Polymer, sein. Beispiele geeigneter organischer Materialien beinhalten PEDOT (Baytron) oder Polyanilin dotiert mit einem Dotierungsmittel, wie zum Beispiel Polystyrensulfonsäure (PSS). In einer besonderen Ausführungsform ist die Grenzflächenschicht 104 Poly-3,4-Ethylendioxythiophen-Polystyrensulfonsäure (PEDOT-PSS). In einigen Ausführungsformen können sowohl die TCE 106 und Basiselektrode 110 transparent sein. Es ist auch möglich, die Positionen der TCE 106 und Basiselektrode 110 zu tauschen.
  • Die aktive Schicht 101 beinhaltet ein nanostrukturiertes, isolierendes Templat 105, eine optionale leitfähige Schicht 107, sowie ein erstes und zweites Ladungstransfer-Material 108, 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 wird das poröse Templat aus einem isolierenden Material, wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder anderen isolierenden Materialien, hergestellt. Das Templat 105 kann durch Oxidieren einer Metallschicht 112 (zum Beispiel Aluminium) gebildet werden, die auf einer Fläche der Basiselektrode 110 angeordnet ist. Für Darstellungszwecke wird ein Teil der Metallschicht 112 zwischen dem Templat 105 und der Basiselektrode 110 gezeigt. Es ist auch möglich und oft wünschenswert, die ganze Metallschicht 112 zu oxidieren und strukturieren (zum Beispiel durch Anodisierung), so dass sich das poröse Templat 105 den ganzen Weg zu der Basiselektrode 110 erstreckt. Alternativ kann eine Metallschicht (zum Beispiel Aluminium) teilweise anodisiert werden, so dass sowohl die Basiselektrode 110 als auch das Templat 105 aus derselben Metallschicht gebildet werden. Vorzugsweise enthält das Templat 105 Templatelemente 103, die in einer im Wesentlichen einheitlichen Art und Weise verteilt sein können, obwohl eine genaue einheitliche Beabstandung, Form oder Größe nicht streng erforderlich sind. Die Templatelemente 103 können längliche Strukturen sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Röhren, Kanäle, Poren, Säulen und ähnliche, die eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen können. Alternativ können die Templatelemente 103 eine kegelähnliche Form haben, zum Beispiel Kegelstümpfe, die sich mit dem breiteren, von der Metallschicht 112 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 mit Räumen zwischen den Seitenwänden der Röhren.
  • 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 nm bis 2000 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.
  • Da das Templat 105 hauptsächlich Struktur bereitstellt, ist es wünschenswert so wenig Templatmaterial wie möglich zwischen benachbarten Templatelementen zu haben. 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 oder Röhren so klein wie ungefähr 2 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 Templatelementen 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-/Verschmelzungsgrad 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 der gesamten Metallschicht 112 sein, wenn sie gänzlich oxidiert wird, oder die Dicke des Teils, der oxidiert wird. 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.
  • Um den Fluss von Elektronen aus der aktiven Schicht 101 zu erhöhen, kann das isolierende Templat 105 optional mit einem leitfähigen Material 107 beschichtet werden, so dass das leitfähige Material 107 zwischen dem isolierenden Templat 105 und dem ersten Ladungstransfer-Material 108 angeordnet ist. Das leitfähige Material 107 kann über den Templatelementen 103 in einer im Wesentlichen konformen Art und Weise abgeschieden werden, um eine kontinuierliche Verbindung zwischen den Elementen 103 und der darunter liegenden Bodenelektrode 110 zu ermöglichen. Insbesondere, wo das Templat 105 aus einem isolierenden Material, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, hergestellt ist (und manchmal wenn nicht), kann es notwendig sein, eine Grenzschicht von den unteren Enden der Templatelemente 103 zu entfernen, so dass das erste Ladungstransfer-Material 107 einen elektrischen Kontakt mit der Unterschicht 111 und/oder der Metallschicht 112 und/oder der Basiselektrode 110 herstellen kann.
  • Das leitfähige Material 107 kann ein anorganisches Material, wie zum Beispiel Indiumzinnoxid, Indium(III)-oxid, Zinnoxid, fluoriertes Zinnoxid, sein. Vorzugsweise ist das leitfähige Material 107 eine dünne Schicht (zum Beispiel ungefähr 1 nm bis ungefähr 100 nm) eines elektrisch leitfähigen Materials. Bevorzugter kann das leitfähige Material 107 ein leitfähige Oxid, wie zum Beispiel Zinnoxid (SnOx), Indium(III)-oxid (InOx), fluoriertes Zinnoxid (F:SnOx), Indiumzinnoxid (ITO), Wolframoxid, Titandioxid (TiO2), Zinkoxid (ZnO) (mit oder ohne Al-Dotierung), Zirconiumdioxid, Lanthanoxid, Niobiumoxid, Wolframoxid, Strontiumoxid, Calcium-/Titanoxid, Vanadiumoxid, Zirconiumdioxid, Molybdänoxid, sowie Mischungen bzw. Legierungen zweier oder mehrerer solcher Materialien, sein. Alternativ kann das leitfähige Material 107 eine Schicht aus einem Metall, wie zum Beispiel Titandioxid, sein. Zusätzlich kann das leitfähige Material 107 eine dünne Schicht eines organischen Materials, wie zum Beispiel PEDOT:PSS, dotierte, konjugierte, organische Materialien, dotierte Fullerene, zum Beispiel dotiertes C60 und ähnliche, sein.
  • Das erste Ladungstransfer-Material 108 beschichtet die Templatelemente 103 in einer Weise, die zusätzlichen Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material 108 eingenommen ist, zurücklässt. Das zweite Ladungstransfer-Material 109 füllt den zusätzlichen Raum und steht nicht wesentlich aus dem Templat 105 hervor. Zum Beispiel, wo die Elemente 103 beispielsweise die Form einer Anordnung von Nanoröhren aufweisen, kann das zweite Ladungstransfer-Material 109 die hohlen Räume in den Zentren der Nanoröhren sowie leeren Raum zwischen den Röhren füllen, so dass das erste und zweite Ladungstransfer-Material volumetrisch interdigitalisieren. Es ist oft wünschenswert, dass sich das erste und zweite Ladungstransfer-Material nicht erheblich über die Oberfläche des nanostrukturierten Templats 105 erstrecken. Daher können das erste und zweite Ladungstransfer- Material 108, 109 Raum zwischen und 1 oder innerhalb der Templatelemente 103 bis zu einer Höhe füllen, die im Wesentlichen mit einer Oberseite des Templats 105 gleich ist. Vorzugsweise ist wenigstens ein Teil des ersten Ladungstransfer-Materials 108 mit dem Boden der Elemente 103 verbunden, um zwischen dem ersten Ladungstransfer-Material 108 und der Basiselektrode 110 oder einer optionalen Unterschicht 111 einen elektrischen Kontakt, das heißt einen Ladungsträgerweg, bereitzustellen.
  • Das erste und zweite Ladungstransfer-Material 108, 109 weisen komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf einander auf. Im Allgemeinen kann eines der ersten und zweiten Ladungstransfer-Materialien 108, 109 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 1C schematisch angedeutet, gekennzeichnet sein. Wo zwei Ladungstransfer-Materialien mit unterschiedlichen Energieniveaus an einer Grenzfläche INT aufeinander treffen, neigen Elektronen edazu, 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.
  • In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, dass sich ein niedrigstes unbesetztes Molekularorbital (LUMO) oder Leitungsband des ersten Ladungstransfer-Materials 108 von einem LUMO oder Leitungsband des zweiten Ladungstransfer-Materials 109 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 der Ladungstransfer-Materialien 108, 109 wünschenswert, eine Absorption von größer als ungefähr 103/cm bei der Absorptionsspitze, bevorzugter größer als ungefähr 104/cm bei der Absorptionsspitze, aufzuweisen.
  • In dem in 1A gezeigten Beispiel kann das erste Ladungstransfer-Material 108 die Wände und Böden der Templatelemente 103 beschichten, und das zweite Ladungstransfer-Material 109 beschichtet das erste Ladungstransfer-Material, um Röhrchen zu bilden, wobei der zusätzliche Raum die Form von Röhrchenporen aufweist. Das zweite Ladungstransfer-Material 109 kann die Röhrchenporen füllen. 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 Templatporendurchmesser C. Als Beispiel können die Röhrchen eine Röhrchenwanddicke von bis zu ungefähr 100 nm und eine Gesamtröhrchenhöhe von bis zu ungefähr 2 Mikrometer aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform können das erste und zweite Ladungstransfer-Material 108, 109 in einer Mischung zusammengemischt werden, die Templatelemente 103 füllt.
  • Der Röhrchenporendurchmesser d kann einen Innendurchmesser für ein Röhrchen des ersten Ladungstransfer-Materials 108 darstellen. Der Außendurchmesser für das Röhrchen ist im Wesentlichen der Templatstrukturdurchmesser C, abzüglich der Dicke der optionalen leitfähigen Schicht 107, falls vorhanden. Das Röhrchen kann eine Wanddicke aufweisen, die durch die Hälfte der Differenz zwischen dem inneren und äußeren Röhrchendurchmesser, das heißt (C–d)/2, vorgegeben ist. Die Röhrchenwanddicke kann von ungefähr 0,5 nm (5 Ångström) bis ungefähr 20 nm, vorzugsweise von ungefähr 0,7 nm bis ungefähr 15 nm, bevorzugter ungefähr 10 nm, und am bevorzugtesten ungefähr 5 nm, reichen. Zum Beispiel kann der Röhrchendurchmesser C ungefähr 40 nm betragen, der Röhrchenporendurchmesser d kann ungefähr 30 nm betragen, und die Röhrchenwanddicke würde ungefähr 5 nm auf jeder Seite der Röhrchenpore betragen, das heißt 5 + 30 + 5 = 40 nm über dem Querschnittsdurchmesser des Röhrchens.
  • Das erste Ladungstransfer-Material 108 kann ein anorganisches, halbleitendes Material sein. Beispiele geeigneter anorganischer Materialien, die als das erste Ladungstransfer-Material 108 verwendet werden können, beinhalten zum Beispiel Metalloxide wie beispielsweise Titandioxid (TiO2), Zinkoxid (ZnO), Kupferoxid (CuO oder Cu2O oder CuxOy), Zirconiumdioxid, Lanthanoxid, Niobiumoxid, Zinnoxid, Indium(III)-oxid, Indiumzinnoxid (ITO), Vanadiumoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Strontiumoxid, Calcium-/Titanoxid und andere Oxide, Natriumtitanat, Kaliumniobat, Cadmiumselenid (CdSe), Cadmiumsulfid (CdS), Kupfersulfid (zum Beispiel Cu2S), Cadmiumtellurid (CdTe), Cadmium-Tellurium-Selenid (CdTeSe), Kupfer-Inidium-Selenid (CuInSe2), Cadmium(II)-oxid (CdOx), das heißt im Allgemeinen halbleitende Materialien, sowie Mischungen oder Legierungen zweier oder mehrerer solcher Materialien.
  • Alternativ kann das erste Ladungstransfer-Material 108 ein organisches Material vom p- oder n-Typ sein, zum Beispiel Fullerene oder modifizierte/funktionalisierte Fullerene (beispielsweise PCBM). Das erste Ladungstransfer-Material 108 kann oder kann nicht eine wesentliche Fraktion des einfallenden Lichts absorbieren.
  • Das zweite Ladungstransfer-Material 109 kann ein organisches Material sein. Vorzugsweise ist das zweite Ladungstransfer-Material 109 ein organisches Material, das Licht in der Masse des Materials absorbiert. 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), Perylen, Perylen-Derivate, Kupfer-Phtalocyanine (CuPc), Zink-Phtalocyanin (ZnPc), 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 sowie Pentacen, Pentacen-Derivate und/oder Pentacen-Vorgänger.
  • Das erste und/oder zweite Ladungstransfer-Material 108, 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. In einer besonderen Ausführungsform kann das zweite Ladungstransfer-Material 109 Fullerene beinhalten.
  • In einer besonderen Ausführungsform unter anderem ist das erste Ladungstransfer-Material 108 eine dünne Schicht (zum Beispiel ungefähr 1 nm bis ungefähr 100 nm, bevorzugter ungefähr 10 bis ungefähr 50 nm) eines amorphen Siliziums (a-Si), das als Dünnfilm-PV-Material wohl bekannt ist. Mehrere Abscheidungstechnologien, zum Beispiel Sputtern, ALD, CVD, PECVD, MOCVD usw. sind entwickelt worden, und mehrere von diesen sind sehr gebräuchlich, um a-Si-Filme abzuscheiden. Mehrere dieser Verfahren haben das Potential, dotierte oder undotierte a-Si-Filme nicht nur auf Flächen, sondern hohe Seitenverhältnis-Löcher (zum Beispiel Bohrungen) hinunter abzuscheiden. Leider weist amorphes Si einen niedrigen Absorptions-Koeffizienten auf. Daher, wenn a-Si-PV-Zellen vom Stand der Technik hergestellt werden, müssen dicke a-Si-Filme abgeschieden werden, was zeitaufwendig und teuer ist. Amorphe Si-PV-Zellen vom Stand der Technik verwenden typischerweise Filmdicken über 1 Mikrometer und oft bedeutend mehr. Wenn ein a-Si die hauptsächliche aktive Schicht in einer PV-Zelle vom Stand der Technik ist, wird Licht in der a-Si-Schicht aborbiert, von der bewiesen worden ist, dass sie sich, insbesondere wenn sie UV-Licht ausgesetzt ist, zersetzt. Organische und organisch/anorganisch hybride Solarzellen sind typischerweise auf die Absorption von Licht in einem organischen Stoff (organic) angewiesen, was ein Exziton erzeugt, gefolgt von der Spaltung des Exzitons in einen positiven und negativen Ladungsträger an einer exzitonspaltenden Grenzfläche. Um solche PV-Zellen vom Stand der Technik effizient zu machen, sind eine hohe Flächenausdehnung der exzitonspaltenden Grenzfläche und vorzugsweise ein kurzer Weg für negative und/oder positive Ladungsträger zu ihrer entsprechenden Ladungssammelelektrode wünschenswert.
  • Die oben kurz beschriebenen Merkmale legen nahe, warum organische hybride a-Si-Solarzellen (vom p- oder n-Typ, aber insbesondere vom n-Typ) im Stand der Technik nicht hergestellt worden sind. Zum Beispiel kann in Zellen vom Graetzel-Typ ein Film aus Titandioxidpartikeln mit a-Si beschichtet werden. Es wäre schwierig, a-Si in den engen Kanälen vollständig und effizient abzuscheiden, nachdem ein Film von zufällig angeordneten Titandioxidpartikeln gesintert worden ist. Ferner hätte eine flache a-Si-/organische Zelle eine begrenzte exzitonspaltende Grenzfläche. Es mag für eine PV-Zelle mit zum Beispiel homogenen organischen Schichten oder ganzorganischen Mischungen vorteilhaft sein, auf eine a-Si-Schicht platziert zu werden, statt geradewegs auf eine Ladungsträger-Sammelelektrode. Jedoch ist wahrscheinlich, dass die organische Schicht oder Mischung die Durchführung dominieren wird. Um Mischzellen (zum Beispiel mit organischen Stoffen (organics) und Nano-Nano-Stäben) mit a-Si herzustellen, müsste man beschichtete a-Si-Nanostäbe herstellen. Jedoch kann man kristalline Halbleiterpartikel/Stäbe von kristallinem Si (und CdSe, CdTe, Si, GaAs usw.) herstellen, die besser wären als die amorphen Versionen. Diese Zellen jedoch haben ihre eigenen wohlbekannten Begrenzungen (wie beispielsweise morphologische Unregelmäßigkeit, ein hohes Potential für Nanostab-Verklumpung usw.).
  • Um anorganische/organische hybride (und andere) Solarzellen effizient zu machen, ist es normalerweise wichtig, Energieniveaus (HOMO/LUMO, Valenz- und Leitungsbänder, Zwischenband-Ladungstransport-Energienniveaus) sorgfältig aufeinander abzustimmen, um die Leistung zu optimieren. Dies ist oft sehr schwierig. Jedoch mit einer dünnen a-Si-Beschichtung als das erste Ladungstransfer-Material 108 ist es möglich, das entsprechende Energieniveau des ersten Ladungstransfer- Materials 108 mit dem Energieniveau des zweiten Ladungstransfer-Materials 109 ziemlich gut abzustimmen, insbesondere wo das zweite Ladungstransfer-Material ein organisches Material ist. Somit kann die Effizienz der Anlage 100 bei der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie erhöht werden. Alternativ könnte das zweite Ladungstransfer-Material 109 auch ein anorganisches Material sein.
  • Die a-Si-Beschichtung könnte in einem "gröberen" Templat 105 dicker gemacht werden, um manche (vielleicht eine bedeutendere) Lichtabsorptionsfunktion bereitzustellen. In einer bevorzugteren Ausführungsform ist das erste Ladungstransfer-Material dotiertes a-Si vom n-Typ, und das zweite Ladungstransfer-Material 109 ist ein organisches Material vom p-Typ. Eine dünne a-Si-Beschichtung kann weitgehend transparent sein. Des Weiteren eine a-Si-Beschichtung, die an den Wänden der Templatelemente 103 durch Standardabscheidungsverfahren abgeschieden wird, zum Beispiel durch Sputtern, CVD, PECVD und ähnliche. Die Kosten für eine Abscheidung mit diesen Techniken korrelieren sehr mit der Abscheidungszeit. Erfreulicherweise können dünne Beschichtungen (zum Beispiel ungefähr 1–100 nm) mit diesen Techniken in relativ kurzen Abscheidungszeiten abgeschieden werden.
  • Wo das erste Ladungstransfer-Material 108 aus a-Si hergestellt ist, und manchmal wenn nicht, kann das erste Ladungstransfer-Material 108 an einem oberen Teil des nanostrukturierten Templats 105, zum Beispiel näher zu der TCE 106, als an einem niederen Teil des Templats 105 dicker sein, zum Beispiel näher zu der Basiselektrode 110. Vorzugsweise ist die Dicke des ersten Ladungstransfer-Materials 108 im Wesentlichen überall in dem beschichteten Templat 105 innerhalb von etwa 100% einheitlich (zum Beispiel 20 nm dick an dem oberen Ende und 10 nm dick an dem unteren Ende). Bevorzugter ist die Dicke des ersten Landungstransfer-Materials einheitlich innerhalb von ungefähr 50%. Zusätzlich, wenn genügend hoch dotiertes a-Si als das erste Ladungstransfer-Material 108 verwendet wird, kann isolierendes Aluminiumoxid als das Templat 105 verwendet werden (mit einer unteren Grenzschicht entfernt und/oder reduziert, um es leitfähig zu machen), da die dotierte a-Si-Schicht auch den Leitungsweg bereitstellen würde. Daher muss die leitfähige Schicht 107 nicht notwendig sein.
  • Wo das erste Ladungstransfer-Material 108 ein a-Si ist, kann das zweite Ladungstransfer-Material 109 ein organisches Material mit einer Bandlücke sein, die weniger als ungefähr 2 eV oder weniger als ungefähr 1,7 eV beträgt. Für a-Si vom n-Typ als das erste Ladungstransfer-Material 107, können die dominanten, negativen Ladungsträger-Energieniveaus des zweiten Ladungstransfer-Materials 109 innerhalb 1 eV liegen, aber besser innerhalb 0,5 eV des a-Si-Leitungsbandes. Vorzugsweise beträgt das dominante, negative Ladungsträger-Energieniveau des zweiten Ladungstransfer-Materials 109 weniger als 1 eV und vorzugsweise 0,5 eV über dem A-Si-Leitungsband/-zustände, und ein HOMO-Niveau (oder äquivalentes Ladungsträger-Transportniveau vom p-Typ) des zweiten Ladungstransfer-Materials 109 liegt über dem des a-Si-Valenzbandes. Die Materialwahl kann beeinflussen, ob die resultierende Anlage 100 die gewünschten Energie-Niveaus aufweist. Als Beispiel, wo das erste Ladungstransfer-Material 108 a-Si ist, können Polymere, Copolymere oder Mischungen auf Thiophen-, Fluor- oder Aryl-Vinyl-Basis als das zweite Ladungstransfer-Material 109 verwendet werden. Um Bandlücken und Energie-Niveaus und somit die Zellenleistung weiter zu optimieren, kann die a-Si-Schicht entsprechend dotiert werden, zum Beispiel durch Kohlenstoff oder Germanium. Auch kann bzw. würde die a-Si-Schicht, die in gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, typischerweise hydriert werden bzw. sein. Auch kann die a-Si-Schicht (mit dem angewandten Dotierungs-, Hydrierungs-Niveau usw.) optional vor der Abscheidung des zweiten Ladungstransfer-Materials 109 (oder einer optionalen Grenzflächenschicht 113 – siehe unten) optional behandelt werden (chemisch, nasschemisch, zum Beispiel durch eine HF-Ätzung), um potentielle a-Si-Oberflächenoxidschichten zu entfernen. Ferner kann die Oberfläche des a-Si auch passiviert werden, um sie vor einem Oberflächenoxidschichtwachstum zu schützen und/oder Exzitonspaltung und/oder Ladungstransfer zu erhöhen und/oder unerwünschte Exziton-Rekombination zu reduzieren.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann eine optionale Grenzflächenschicht 113 zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material 108, 109, wie in 1D gezeigt, angeordnet werden. Die Grenzflächenschicht 113 kann die Leistung der Anlage 100 erhöhen. Zum Beispiel kann die Grenzflächenschicht 113 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 113 organische Materialien enthalten, die mit (nicht unterhalb) dem ersten Ladungstransfer-Material 108 verbunden sind. Beispiele solcher organischer Materialien beinhalten Fullerene (zum Beispiel C60, C70 und ähnliche, entweder chemisch funktionalisiert oder nicht funktionalisiert), Kohlenstoff-Nanoröhren, Farbstoffe, Ruthenium-Farbstoffe, Pigmente, und organische Monomere, Oligomere, und Polymere, von denen welche einzeln oder in Kombination auf das erste Ladungstransfer-Material 107 abgeschieden werden können. Das zweite Ladungstransfer-Material 108 kann eine Monoschicht sein bzw. mehrschichtige Grenzflächenschichten können ebenfalls verwendet werden. Die Grenzflächenschicht 113 kann die Form einzelner Moleküle, Monomere oder Oligomere, oder einer kontinuierlichen oder einer im Wesentlichen kontinuierlichen Schicht zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material 108, 109 aufweisen.
  • Die Wahl des Materials für die Grenzflächenschicht 113 kann von den Materialien abhängen, die für das erste Ladungstransfer-Material 108 und das zweite Ladungstransfer-Material 109 verwendet werden. Als Beispiel und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit, wo das erste Ladungstransfer-Material 108 ein a-Si ist, können wohlbekannte "Elektronenkanal-/absorbierende" Farbstoffe, wie zum Beispiel Rubidium-Farbstoffe, in die Grenzflächenschicht 113 zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material 108, 109, aufgenommen werden. Solche Farbstoffe können ein LUMO-Niveau haben, das dem von a-Si sehr nahe ist.
  • Dotierte (oder undotierte) Fullerene, wie zum Beispiel C60, können ebenfalls funktionalisiert werden, beispielsweise so, dass sie sich kovalent mit dem ersten Ladungstransfer-Material 108 verbinden können. Die Kohlenstoffschichten in Fullerenen, wie zum Beispiel C60, können aufgrund der Einlagerung von fünfgliedrigen Ringen gekrümmt sein. Eine beträchtliche Formänderungsenergie wird in den Fullerenen reduziert, wenn die Kohlenstoffatome einer C=C Doppelbindung durch zwei sp3-hybridisierte Kohlenstoffatome ersetzt werden. Dies kann zur Funktionalisierung der Fullerene durch Additionsreaktionen ausgenutzt werden.
  • Die Grenzflächenschicht 113 kann auch Chemikalien beinhalten, die sich kovalent mit dem ersten Ladungstransfer-Material 108, zum Beispiel ein Silan, verbinden können und so die Oberflächenenergie und/oder Bindungs-Einfang-Zustände (bonding trapstates) ändern und/oder sich mit freien Bindungen an einer offenen Fläche des ersten Ladungstransfer-Materials 108 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 Verbindungen und andere Säuren, tert-Butylpyridin, Tenside, Farbstoffmoleküle, Silane und Siliziumverbindungen oder ihre funktionalisierten Derivate, die oft als Haftverstärker verwendet werden. Die Oberfläche des ersten Ladungstransfer-Materials 108 kann auch mit Silylierungsagenzien zur Modulation der Oberflächeneigenschaften funktionalisiert werden, und/oder zur Einführung von funktionellen Gruppen (Amingruppe, aliphatische Gruppe, Hydroxygruppe, Carboylgruppe usw.) zur weiteren Oberflächenderivatisierung. Insbesondere kann die Grenzflächenschicht 113 eine Schicht aus C60 oder anderen Fullerenen sein, die mit einer Karbonsäurekomponente kombiniert mit Hydroxylieren eines Metaloxids funktionalisiert sind, wobei das erste Ladungstransfer-Material 108 einen bevorzugten Ladungsfluss in das oder aus dem ersten Ladungstransfer-Material 108 erzeugt.
  • Die leitfähige Schicht 107 und/oder das erste und/oder zweite Ladungstransfer-Material 108, 109 können im Allgemeinen andere organische Materialien beinhalten, zum Beispiel ein konjugiertes Polymer, das das erste Ladungstransfer-Material 108 beschichtet. Zum Beispiel könnte das nanostrukturierte Templat 105 der Reihe nach mit verschiedenen Schichten eines konjugierten Polymers oder anderen organischen Materialien beschichtet werden, die dann schmelzinfiltriert werden, um durch Oberflächenenergieeffekte die gewünschte geschichtete oder gemischte Struktur des ersten und zweiten Ladungstransfer-Materials 108, 109 zu erzeugen.
  • Des Weiteren kann das erste Ladungstransfer-Material 108 und/oder die Grenzflächenschicht 113 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. Des Weiteren, obwohl das erste und zweite Ladungstransfer-Material 108, 109 als ein anorganisches bzw. ein organisches Material beschrieben werden, ist es möglich, die aktive Schicht 101 mit dem ersten Ladungstransfer-Material 108 organisch und dem zweiten Ladungstransfer-Material 109 anorganisch oder mit beiden Ladungstransfer-Materialien 108, 109 organisch herzustellen.
  • Durch Ändern der Prozessparameter der Aluminiumanodisierung, so dass sich die Porenweitung (mittels Ätzen) parallel zu (oder nach) der Vertiefung der Poren ereignet, können kegelähnliche Poren erzeugt werden, die gewisse Ladungstransport-Vorteile aufweisen können. Solche kegelähnliche Poren sind eine Variante der in 1A–1B oben gezeigten Poren. Bitte beachten, dass Porenweitung oder "Kegelformung" auch durch andere Verfahren, wie zum Beispiel Plasma-Ätzen, reaktives ionisches Ätzen (RIE), anisotropische RIE, erfolgen könnte. "Kegelformen" der Templatelemente 103 kann das Beschichten des nanostrukturierten Templats 105 mit zum Beispiel dem ersten Ladungstransfer-Material 108 (und/oder Grenzflächenschicht 113 und/oder optionale leitfähige Schicht 107 wie oben beschrieben) erleichtern, insbesondere wenn das Abscheidungsverfahren für das erste Ladungstransfer-Material 108 und/oder die Grenzflächenschicht 113 zum Beispiel Sputtern, Verdampfen oder ein ähnlicher Abscheidungsprozess ist. Es sollte Acht gegeben werden, die Verstopfung der Poren am oberen Ende zu vermeiden, bevor der Rest gefüllt oder beschichtet ist. Kegelformung kann das "Verstopfen" von sowohl Templatporen als auch Röhrchenporen in verschiedenen Füllstadien vermeiden (zum Beispiel für das Füllen der Templatelemente 103 mit dem ersten Ladungstransfer- Material 108 und/oder der Grenzflächenschicht 113 und/oder Füllen der Röhrchenporen 102 mit dem zweiten Ladungstransfer-Material 109).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann das leitfähige Material 107 eine Schicht eines leitfähigen, transparenten Oxids sein (wie beispielsweise ITO oder F:SnO2), das durch das ALD oder PECVD oder CVD oder Sputtern oben auf ein nanostrukturiertes Templat 105, das aus anodisiertem Aluminiumoxid hergestellt ist, abgeschieden wird. Das ITO kann dann mit einer Schicht eines halbleitenden Titandioxids vom n-Typ als das erste Ladungstransfer-Material 108 bedeckt werden, das durch ALD oder CVD oder Sputtern abgeschieden wird, was dann mit einer (optionalen) dünnen Schicht funktionalisierten C60 (C60-COOH, PCBM, oder ähnliche Materialien) als die Grenzflächenschicht 113 zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material lösungsmittelbeschichtet werden kann. Das zweite Ladungstransfer-Material 109 kann eine Schicht organischen Polymers sein, das durch Lösungsmitteldampfabscheidung oder eine Abscheidungstechnik auf Lösungsmittelbasis abgeschieden wird. Alternativ könnte ein kleines organisches Molekül (small organic molecule), wie zum Beispiel Pentacen, in das nanostrukturierte Templat 105 dampfabgeschieden oder mittels eines organischen Standardverdampfungsverfahrens verdampft werden, oder ein löslicher Pentacen-Vorgänger könnte in das Templat lösungsmittelabgeschieden werden, danach könnte der Pentacen-Vorgänger durch Glühen in Pentacen überführt werden.
  • In einer ersten alternativen Ausführungsform kann das erste Ladungstransfer-Material 108 ein Halbleiter beschichtendes Material vom n-Typ sein (zum Beispiel Titandioxid oder ZnO oder ein anderes Metalloxid), das auf ein Aluminiumoxidtemplat 105 beschichtet werden kann, das bis zu einer darunter liegenden Titandioxid- oder einer anderen Unterschicht 112 vom n-Typ hinunter anodisiert worden ist. Das zweite Ladungstransfer-Material 109 kann eine Schicht organisches Polymer sein, das durch Lösungsmitteldampfabscheidung oder eine Abscheidungstechnik auf Lösungsmittelbasis abgeschieden wird. Alternativ könnte ein kleines Molekül (small molecule), wie zum Beispiel Pentacen, in das nanostrukturierte Templat 105 mittels eines organischen Standardverdampfungsverfahrens verdampft werden, oder ein löslicher Pentacen-Vorgänger könnte in das Templat lösungsmittelabgeschieden werden, danach könnte der Pentacen-Vorgänger durch Glühen in Pentacen überführt werden.
  • In einer zweiten alternativen Ausführungsform kann das leitfähige Material 107 ein Halbleiter beschichtendes Material vom n-Typ sein (zum Beispiel Titandioxid oder ZnO oder ein anderes Metalloxid), das auf ein Aluminiumoxidtemplat 105 beschichtet werden kann, das bis zu einer darunter liegenden Titandioxid- oder einer anderen Unterschicht 112 vom n-Typ hinunter anodisiert worden sind. Das erste Ladungstransfer-Material 108 kann eine a-Si-Schicht vom n-Typ sein, die durch CVD-Verfahren, MOCVD-Verfahren, Verdampfen, Sputtern, ALD-Verfahren usw. auf das leitfähige Material 107 abgeschieden wird. Das zweite Ladungstransfer-Material 109 kann ein organisches oder anorganisches Material vom p-Typ sein, zum Beispiel solche, wie die oben beschriebenen.
  • In einer dritten alternativen Ausführungsform kann das leitfähige Material 107 (zum Beispiel Indiumzinnoxid, Zinnoxid, fluoriertes Zinnoxid, Al-dotiertes ZnO oder anderes leitfähiges Material) auf ein Aluminiumoxidtemplat 105 oder in Elemente 103 in der Form von Aluminiumoxidröhren beschichtet werden, die bis zu einer darunter liegenden Titandioxid- oder einer anderen Unterschicht 112 vom n-Typ hinunter erzeugt/anodisiert worden sind. Die Röhrenhöhe kann so groß wie 2000 nm sein. Die Röhrenbreite kann so breit wie 500 nm sein, typischer ungefähr 300–500 nm, oder möglicherweise so klein wie 50 nm oder weniger. Das leitfähige Material 107 kann zum Beispiel durch das ALD-Verfahren abgeschieden werden. Das erste Ladungstransfer-Material 108 kann eine 50 nm dicke Schicht Cds vom n-Typ sein, die an der Basis und entlang der Seitenwände der Röhren, zum Beispiel durch galvanische Metallabscheidung oder Chemical Bath Deposition (CBD-Verfahren), abgeschieden werden. Ein zweites Ladungstransfer-Material 109, wie zum Beispiel CdTe, CdSe oder Cu2S vom p-Typ, kann dann in die Röhren, zum Beispiel durch elektrochemische Verfahren, abgeschieden werden.
  • In einer vierten alternativen Ausführungsform, wenn das Templat 105 und die Basiselektrode 110 aus derselben Metallschicht hergestellt werden, beispielsweise durch teilweise Anodisierung, wie oben beschrieben, kann es wünschenswert sein, nach Entfernen einer (eventuellen) Grenzschicht auf die Unterschicht 111 zu verzichten und stattdessen die Böden der Templatelemente 103 mit einem leitenden oder halbleitenden Material zu beschichten, das dem der Unterschicht 111 ähnlich ist. Das leitende oder halbleitende Material an den unteren Enden der Templatelemente 103 muss nicht erforderlich sein, wenn das erste Ladungstransfer-Material 108, die (eventuelle) leitfähige Schicht 107 oder eine (eventuelle) Grenzflächenschicht 113 anderweitig genügend elektrischen Kontakt mit der Bodenelektrode 110 herstellen würden.
  • In anderen alternativen Ausführungsformen können das erste und zweite Ladungstransfer-Material 108, 109 vollständig anorganisch sein, zum Beispiel eine anorganische Mehrschicht (multilayer), die Templatstrukturen 103 oder den von dem leitfähigen Material 107, falls vorhanden, nicht eingenommenen Raum füllt.
  • IV. HERSTELLUNG DER PHOTOVOLTAIKANLAGE
  • Vorrichtungen des in 1A–1B 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, 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 können die Templatelemente optional mit einem leitfähigen Material beschichtet werden. Bei 206 beschichtet ein erstes Ladungstransfer-Material die Templatelemente und lässt zusätzlichen Raum zurück. Bei 208 füllt ein zweites (komplementäres) Ladungstransfer-Material zusätzlichen Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material eingenommen ist. Elektroden können optional bei 210 hinzugefügt werden, und die resultierende Anlage kann optional bei 212 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 (zum Beispiel Aluminium) 312, das auf einem Substrat 310 angeordnet ist, anodisiert werden. 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 gebildet werden, während der Oxidfilm 305 erzeugt wird. Wo sich der Oxidfilm 305 den ganzen Weg hindurch zu dem Substrat 310 erstreckt, kann Material am unteren Ende der Templatelemente 303 durch chemische Mittel oder durch allmähliches Heruntertransformieren der Spannung entfernt werden. Wo ein Teil der Metallschicht 312 zwischen dem Oxidfilm 305 und dem Substrat 310 verbleibt, kann das Material am unteren Ende der Templatelemente 303 chemisch entfernt werden oder kann an der Stelle belassen werden (zum Beispiel als eine Elektrode). Die Anodisierungsspannung steuert Porengröße und Porendichte, und die Gesamtmenge des Ladungstransferierten bestimmt die Filmdicke. Als Beispiel kann Aluminium in einem Phosphorsäurenelektrolyt anodisch behandelt werden. Beispiele nanostrukturierte Aluminiumoxidtemplate, die auf diese Art hergestellt werden, werden in den REM-Bildern von 4B und 4C dargestellt. Die REM-Bilder von 4A und 4B stellen auch ein Beispiel für Templatporen dar, die in einer im Wesentlichen einheitlichen Art und Weise verteilt sind.
  • Der bevorzugte 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, und am bevorzugten bei ungefähr 300 bis 500 nm. Poröse Template in diesen Dickenbereichen stellen nützliche Tiefen für eine einwandfreie optoelektronische Funktion in der resultierenden PV-Anlage bereit. Um das Metallsubstrat (zum Beispiel Aluminium) auf sein poröses Metalloxidäquivalent zu anodisieren (zum Beispiel Aluminiumoxid), können die Anodisierungsspannung, der Strom, die Säurekonzentration, die Anodisierungszeit und Temperatur angepasst werden, um die Porenbildung in einem Metallfilm, dessen anfängliche Dicke im Bereich von (zum Beispiel) 150 bis 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.
  • Strukturgrößen in solchen Filmen reichen typischerweise von 10 bis 450 nm, obwohl es auch möglich ist, Templatelemente so klein wie 2 nm und so groß wie 500 nm zu bilden. Die typische Dichte von Templatelementen 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 50–100 Mikrometer ist.
  • Um ein nanostrukturiertes Aluminiumoxidtemplat zu bilden, kann ein Al-Metall (zum Beispiel zu 99,99% rein) auf ein Glas- oder Metalfoliensubstrat mittels Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, Sputtern oder ähnlich beschichtet werden. Alternativ kann eine Al-Folie kommerziell von irgendwelchen einer Vielzahl von Verkäufern gekauft werden. Der Film kann durch Behandlung bei 1–250 V für eine genau angegebene Zeit, zum Beispiel in der Ordnung von mehreren Minuten, in 5–10%iger H3PO4 unter 10°C anodisiert werden. Zum Beispiel kann in 75 Min. ein Aluminiumoxidfilm erzeugt werden, der ungefähr 30 Mikrometer dick ist. Die Potentialspannung kann von ungefähr 1 V bis ungefähr 250 V reichen. Das vorhergehende Protokoll kann zu porösen Aluminiumoxid-Templatelementen in der Form von Poren oder Röhrchen in dem Durchmesserbereich von ungefähr 10–450 nm führen. Sobald die Anodisierung abgeschlossen ist, kann das anodisierte Material an der Basis der Poren durch Heruntertransformieren der Anodisierungsspannung, beispielsweise von 100 V auf 0,1 V, perforiert werden. Alternativ kann die Grenzschicht an der Basis der Templatröhrchen mittels chemischen Ätzens entfernt werden, zum Beispiel mittels eines Säurebads, das Porenweitung fördert. Um die Poren oder Röhrchen weiter zu weiten, werden anodisierte Muster dann in eine 5% (Vol.) Phosphorsäurelösung für 5–60 Min. bei 30°C eingetaucht, sowohl um die Porengröße zu vergrößern als auch die typische Grenzschicht zu entfernen, die auf den meisten anodischen Aluminiumoxidfilmen gefunden wird. Typischerweise werden Porenweitung und Entfernen der Grenzschicht gleichzeitig in demselben Prozess ausgeführt. Ferner kann das anodisierte Material an der Basis der Poren durch eine geeignete Reduktionsreaktion leitend gemacht werden.
  • Es ist auch möglich, das poröse Templat durch Anodisieren einer Metallschicht herzustellen, um einen Oxidfilm auf Glas, ITO-beschichtetem Glas, F:SnO2-beschichtetem Glas, ITO-beschichtetem PET oder ein anderer Kunststoff, oder anderen beschichteten oder nicht beschichteten Metallfolien sowie metallisierten Kunststoffen zu bilden. Insbesondere kann das Substrat 310 eine Glas- oder Plastik- oder Metallplatte oder eine kontinuierliche Metall- oder Plastikfolie mit einer Basiselektrode sein. Die Basiselektrode (transparent oder anderweitig) kann das Substrat 310 sein. Das Substrat/die Basiselektrode 310 kann mit einer Metall- (zum Beispiel Aluminium) Schicht bestehend aus zu anodisierendem Aluminium überzogen werden.
  • Nanostrukturierte Template können auch durch eine reaktive Ionenätztechnik mittels eines anodisierten, porösen Templats als eine Ätzmaske hergestellt werden. Solche Techniken werden zum Beispiel in der US-Patentanmeldung, Seriennummer 10/719,042, eingereicht am 21. November 2003, beschrieben, die hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Nanostrukturierte Template können auch durch Tensidtemplationstechniken, wie zum Beispiel denjenigen, die in den üblich abgetretenen US-Patentanmeldungen 10/290,119, 10/303,665 und 10/319,406 beschrieben sind, hergestellt werden, die hier durch Bezugnahme aufgenommen werden. Bezugnehmend auf 3A kann eine Unterschicht 311 zwischen dem Substrat/der Basiselektrode 310 und den nachfolgenden Schichten, zum Beispiel die Metallschicht 312, die zu anodisieren ist, usw. angeordnet sein. Die Unterschicht 311 kann eine Metallschicht sein, die als eine "Anodisierungs-Stoppschicht" fungieren kann und/oder als eine Ätz-Stoppschicht für die Röhren- oder Porenerweiterung und den Bodengrenzschicht-Entfernungsätzprozess fungieren kann. Alternativ kann die Unterschicht 311 eine halbleitende Schicht sein, zum Beispiel Titandioxid, die zwischen dem Substrat 310 und den nachfolgenden Schichten angeordnet ist. Eine solche Unterschicht kann unerwünschten Kontakt zwischen einem Material, das die Templatelemente 303 füllt, und dem Substrat/der Basiselektrode 310 reduzieren.
  • Alternativ kann die Zwischenschicht 311 Schaden für das darunter liegende Substrat 310 verhindern (zum Beispiel für den Fall, dass die Basiselektrode 310 ITO ist). Insbesondere könnte das Substrat 310 aus einem Metall- oder Legierungs- oder rostfreien Stahl- oder metallisierten Plastikfoliensubstrat hergestellt werden, gefolgt von einer Zwischenschicht, zum Beispiel eine Ätz-Stoppschicht und/oder Titandioxidschicht, gefolgt von der Metallschicht 312, die anodisiert wird, um das nanostrukturierte Templat 305 zu erzeugen. Die Zwischenschicht 311 (zum Beispiel Halbleiter oder Metall) kann insbesondere nützlich sein, wenn Ladungstransfer-Materialien in den Templatelementen 303 nicht den ganzen Weg hindurch zu dem Boden der Templatelemente 303 reichen. Wenn das Templat 305 und die Basiselektrode 310 aus derselben Metallschicht hergestellt werden, beispielsweise durch teilweise Anodisierung, wie oben beschrieben, kann es wünschenswert sein, nach Entfernen einer (eventuellen) Grenzschicht auf die Unterschicht 311 zu verzichten und stattdessen die Böden der Templatelemente 303 mit einem leitenden oder halbleitenden Material zu beschichten, das dem der Unterschicht 311 ähnlich ist.
  • B. Beschichten der Templatelemente mit dem ersten Ladungstransfer-Material und/oder einem optionalen leitfähigen Material
  • In Bezug auf 204 von 2 könnte eine Vielzahl von Abscheidungstechniken verwendet werden, um die Templatelemente 303 mit dem ersten Ladungstransfer-Material 308 und/oder mit der optionalen leitfähigen Schicht 307 (und/oder der Schicht 311 am unteren Ende von 305, zum Beispiel durch galvanische Metallabscheidung, LBL-Verfahren oder anderen Flüssigphasen- bzw. CBD-Techniken) zu beschichten. Solche Techniken beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf elektrochemische und außenstromlose Abscheidung (Chemical Bath Deposition, CBD-Verfahren), Verdampfen, Sputtern, Plattierung, Ionenplattierung, Molekularstrahlepitaxie, Atomic Layer Deposition (ALD-Verfahren), PEALD-Verfahren, elektrochemische Atomlagenepitaxie, Abscheidung auf Solgel-Basis, Sprühpyrolyse, Dampfphasenabscheidung, Lösungsmitteldampfabscheidung, metallorganische Dampfphasenabscheidung, metallorganische Dampfphasenepitaxie, ALD-Verfahren, Chemical Vapor Deposition (CVD-Verfahren), impulsgesteuertes CVD-Verfahren, PECVD-Verfahren, metallorganisches CVD (MOCVD-Verfahren), metallorganische Dampfphasenepitaxie, Selbstzusammenbau, elektrostatischer Selbstzusammenbau, Schmelzfüllung/-beschichtung, Layer-by-Layer Deposition (LBL-Abscheidung), oder Flüssigphasenabscheidung unter anderem. Im Allgemeinen kann das erste Ladungstransfer-Material 308 durch Abscheidung oder Reaktion oder Kondensation aus der Flüssig- oder Gasphase, oder durch physikalische Abscheidungsverfahren erzeugt werden. Des Weiteren kann das erste Ladungstransfer-Material 308 durch elektrochemische Abscheidung, Elektroplattierung, Ionenplattierung und ähnliche abgeschieden werden.
  • Wo das isolierende, nanostrukturierte Templat 305 durch Anodisieren einer Metallschicht hergestellt wird, kann das Templat 305 mit der optionalen leitfähigen Schicht 307 durch Reduzieren eines oberen Teils des Templats 305 beschichtet werden, um es elektrisch leitend zu machen. Zum Beispiel kann der obere Teil eines anodisierten Templats durch Aussetzen einem geeigneten Reduktionsmittel reduziert werden, um eine chemische Reaktion zu fördern, die Oxide reduziert. Alternativ kann die leitfähige Schicht 307 durch Abscheiden von Material über dem nanostrukturierten Templat 305 gebildet werden. Des Weiteren kann manche Kombination des Reduzierens des Templats 305 und des Abscheidens einer Beschichtung verwendet werden, um die leitfähige Schicht 307 zu bilden.
  • Das erste Ladungstransfer-Material 308 kann die Templatelemente 303 in einer Weise beschichten, 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. Als Beispiel und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit kann ein halbleitendes oder leitendes Metalloxid, wie zum Beispiel ITO, an den Wänden der Templatelemente 303, zum Beispiel durch Sputtern, CVD, ALD-Verfahren, oder andere Beschichtungstechniken, beschichtet werden.
  • Wenn das erste Ladungstransfer-Material 308 ein A-Si ist, kann die freie Fläche des ersten Ladungstransfer-Materials 308 einem Ätzschritt unterzogen werden, um Oberflächenoxide zu entfernen, zum Beispiel durch wohlbekannte Techniken, um Oberflächenoxidschichten aus a-Si zu entfernen. Ein solcher Ätzschritt kann entweder nach Abscheidung des ersten Ladungstransfer-Materials 308 oder vor Abscheidung einer nachfolgenden Schicht oder beidem erfolgen.
  • 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 in Bezug auf das zweite Ladungstransfer-Material 109 aufgeführt sind, gefüllt werden.
  • C. Füllen von zusätzlichem Raum mit 2. Ladungstransfer-Materialien
  • In Bezug auf 206 von 2 gibt es mehrere verschiedene Möglichkeiten zusätzlichen Raum, der nicht durch den ersten Porenfüllschritt in 204 gefüllt wurde, zu füllen. Zum Beispiel kann ein zweites Ladungstransfer-Material 309 Teile der Templatelemente 303, die nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material 308 und/oder dem leitfähigen Material 307, gefüllt sind, wie in 3E gezeigt, füllen. Alternativ können das erste und zweite Ladungstransfer-Material 308, 309 in einer Mischung zusammengemischt werden, und die Mischung kann die Elemente 303 füllen. Eine solche Mischung kann speziell entworfen und gewählt und/oder nach dem Füllen verarbeitet werden, so dass sich eine Phasenentmischung ereignet, um die Anreicherung einer Phase (zum Beispiel das erste Ladungstransfer-Material 308) an der Oberfläche des Templats 305 (oder des leitfähigen Materials 307) und der anderen im Innenbereich/-volumen des Templats 305 zu fördern, und so eine partielle oder substantielle Zwei-Schicht-Struktur zu erzeugen.
  • Das zweite Ladungstransfer-Material 309 kann ein organisches Material, 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 können bei diesem Schritt verwendet werden, alleine oder in Kombination, wie zum Beispiel jene, die oben in Bezug auf das zweite Ladungstransfer-Material 108 beschrieben worden sind. Organische Ladungstransfer-Materialien können auf die Templatelemente 303 aus Prozesslösungen angewandt werden, zum Beispiel durch irgendeine geeignete Technik, beispielsweise Web Coating, Streichverfahren, Sprühbeschichtung, Spin Coating, Gießen, Dip Coating, oder einer Drucktechnik, wie zum Beispiel Siebdruck, Tintenstrahldruck, Flexodruck, Tiefdruck, Mikrotiefdruck und ähnliche. Wärme kann während dieses Schritts auf die nanostrukturierte Netzwerkschicht und das Netzwerk füllende Material angewandt werden, zum Beispiel um Lösungsmittel zu verdampfen und das Netzwerk füllende Material auszuhärten und/oder Materialinfiltration zu unterstützen, beispielsweise durch Kapillarwirkung und/oder Unterstützung von Oberflächenenergie oder osmotische Kraft.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann das organische Material einem Lösungsmitteldampf ausgesetzt werden, um Infiltration in die Templatelemente 303 zu erleichtern. Beispiele solcher Lösungsmitteldampfphasen-Infiltration werden zum Beispiel in der üblich abgetretenen, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung 10/719,041 mit dem Titel "SOLVENT VAPOR INFILTRATION OF ORGANIC MATERIALS INTO NANOSTRUCTURES" beschrieben, die am 21. November 2003 eingereicht wurde.
  • Alternativ kann das zweite Ladungstransfer-Material, wie oben beschrieben, Fullerene (C60 und C70 und ähnliche), Kohlenstoff-Nanoröhren, Farbstoffe, Ruthenium-Farbstoffe, Pigmente, und organische Monomere, Oligomere, und Polymere beinhalten, von denen welche einzeln oder in Kombination in das poröse Templat abgeschieden werden können. Diese organischen Materialien können mittels Kapillarwirkung und/oder durch osmotische Gradienten, unter Verwendung von Flüssiglösungen, welche die abzuscheidenden Materialien enthalten, abgeschieden werden. Zusätzlich können Kohlenstoff-Nanoröhren direkt in den Templatelementen 303 oder den Röhrchenporen 302 mittels beispielsweise Chemical Vapour Deposition (CVD-Verfahren) synthetisiert werden.
  • Zusätzlich kann das zweite Ladungstransfer-Material 309 ein anorganisches Material sein, das mittels irgendeines von mehreren geeigneten Verfahren einschließlich, aber nicht beschränkt auf Solgel-Chemie, Sprühpyrolyse, Layer-by-Layer Deposition (LBL-Abscheidung), Verdampfen, 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, in die Röhrchenporen abgeschieden wird.
  • Als Beispiel und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit könnte das zweite Ladungstransfer-Material Kupfersulfid (Cu2S), Cadmiumtellurid (CdTe), Zinktellurid (ZnTe), Cadmiumselenid (CdSe), Zinkselenid (ZnSe), Cadmium-Tellurium-Selenid (CdTeSe), Kupferoxid (Cu2O oder CuO), Kupfer-Indium-Selenid (CdInSe2) oder andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften sein. Die Anlage kann, wie in 3F gezeigt, fertig gestellt werden. Eine Zwischenschicht 304, zum Beispiel ein Polymer, wie beispielsweise PSS:PEDOT, kann optional auf dem oberen Ende des zweiten 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. Alternativ kann ein dünner Metallfilm oder eine dünne Metallbeschichtung abgeschieden oder an der Anlage angebracht werden, um als eine Elektrode zu dienen.
  • V. ALTERNATIVE AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Obwohl in einigen der oben aufgeführten Ausführungsformen oft impliziert wird, dass die ersten Ladungstransfer-Materialien (zum Beispiel 108) und die Bodenelektrode (zum Beispiel 110) die Rollen von Elektronentransportern/-akzeptoren/-kollektoren übernehmen, und das zweite Material (zum Beispiel 109) die Rolle des gegenüberliegenden positiven Ladungsträgertransporters/-akzeptators/-kollektors übernimmt, und die TCE 106 die Rolle einer Anode übernimmt, ist eindeutig im Umfang dieser Erfindung enthalten, dass diese Funktionsordnung umgekehrt werden könnte. Zum Beispiel könnte die Basiselektrode 110 eine Anode sein. Das erste Ladungstransfer-Material 108 und/oder die Grenzflächenschicht 113 oder irgendwelche zusätzlichen leitfähigen Schichten zwischen dem Templat 105 und dem ersten Ladungstransfer-Material 108 könnten als positive Ladungsträgerakzeptoren/-transporter/-kollektoren fungieren. Zum Beispiel könnten organische (oder anorganische) zweite Ladungstransfer-Materialien 109 negative Ladungsträger akzeptoren/-transporter/-kollektoren sein, zusammen mit der TCE 106 und/oder Grenzflächenschicht 104, die als eine Kathode dient bzw. dienen. Dies beinhaltet Fälle, in denen das Templatmaterial selbst (zum Beispiel 105) vorteilhafte leitfähige und/oder Ladungstransfer-Eigenschaften aufweist. Ein anderes Beispiel wäre eines, in dem zum Beispiel die Grenzflächenschicht 113 beispielsweise PEDOT/PSS ist (fungierend als Anode, die durch die Templatporen hindurch mit der Basiselektrode 110 in Kontakt steht), gefolgt von zum Beispiel einer organischen Donator-/Akzeptator-Mischung, die in die Poren gefüllt wird, oder einer Doppelschichtstruktur mit einer Lochakzeptor-/Lochtransporter-Schicht oben auf der Grenzflächenschicht 113, wobei das verbleibende Volumen mit einem Elektronenakzeptor/-transporter gefüllt wird.
  • 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 und abstimmbareren Struktur und/oder Funktion 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 Struktur 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 auf einer Volumenbasis und sind bei der Umwandlung von einfallendem Licht in elektrische Energie effizienter. 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 werden 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 erlauben eine kostengünstige Herstellung von Photovoltaikanlagen, wie zum Beispiel Solarzellen oder andere Anlagen, im großen Umfang.
  • Während das vorstehend Genannte eine vollständige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet, ist es möglich, verschiedene Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente zu verwenden. Daher sollte der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht unter Bezugnahme auf die obige Beschreibung bestimmt werden, sondern sollte stattdessen unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit ihrem vollen Umfang an Äquivalenten bestimmt werden. Die beigefügten Ansprüche sind nicht als Mittel-plus-Funktion- oder Schritt-plus-Funktion-Einschränkungen beinhaltend auszulegen, außer eine solche Einschränkung wird ausdrücklich in einem gegebenen Anspruch mittels des Ausdrucks "Mittel für" oder "Schritt für" rezitiert.

Claims (65)

  1. Photovoltaikanlage, umfassend: ein isolierendes, anorganisches, nanostrukturiertes Templat, das regelmäßige Templatelemente zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 500 nm im Durchmesser mit einer Strukturdichte von zwischen ungefähr 1012 Elementen/m2 und ungefähr 1016 Elementen/m2 aufweist; ein erstes Ladungstransfer-Material, welches das nanostrukturierte Templatmaterial beschichtet und zusätzlichen Raum zurücklässt; und ein zweites Ladungstransfer-Material, das den zusätzlichen Raum füllt, worin das erste und zweite Ladungstransfer-Material volumetrisch interdigitalisiert sind, worin das erste und zweite Ladungstransfer-Material komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf einander aufweisen, worin sich ein niedrigstes unbesetztes Molekularorbital (LUMO) oder Leitungsband des ersten Ladungstransfer-Materials von einem LUMO oder Leitungsband des zweiten Ladungstransfer-Materials um mehr als ungefähr 0,2 eV unterscheidet, worin eine Absorption von wenigstens einem Ladungstransfer-Material größer als ungefähr 103/cm bei der Absorptionsspitze ist.
  2. Anlage nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Basiselektrode und eine transparente Elektrode, worin das nanostrukturierte Templat zwischen der Basiselektrode und der transparenten Elektrode angeordnet ist.
  3. Anlage nach Anspruch 2, worin das erste Ladungstransfer-Material in elektrischem Kontakt mit der Basiselektrode steht und das zweite Ladungstransfer-Material in Kontakt mit der transparenten Elektrode steht.
  4. Anlage nach Anspruch 1, worin das erste und zweite Ladungstransfer-Material Raum zwischen und/oder innerhalb der Templatstrukturen bis zu einer Höhe füllen, die im Wesentlichen mit einer Oberseite des Templats gleich ist.
  5. Anlage nach Anspruch 1, worin das erste Ladungstransfer-Material ein Halbleiter vom n-Typ oder p-Typ ist.
  6. Anlage nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Schicht funktionalisierten C60, das an das erste Ladungstransfer-Material kovalent gebunden ist.
  7. Anlage nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials, das eine oder mehrere Wände der Templatelemente beschichtet, wobei das elektrisch leitfähige Material zwischen dem nanostrukturierten Templat und dem ersten Ladungstransfer-Material angeordnet ist.
  8. Anlage nach Anspruch 7, worin das elektrisch leitfähige Material ein anorganisches Material beinhaltet.
  9. Anlage nach Anspruch 8, worin das anorganische Material Kupfersulfid und/oder ein leitfähiges Oxid beinhaltet.
  10. Anlage nach Anspruch 9, worin das leitfähige Oxid Zinnoxid (SnOx), Indium(III)oxid (InOx), fluoriertes Zinnoxid (F:SnOx), Indiumzinnoxid (ITO), Wolframoxid, Titandioxid (TiO2), Zinkoxid (ZnO), Zirconiumdioxid, Lanthanoxid, Kupferoxid, Zirconiumdioxid, Lanthanoxid, Niobiumoxid, Wolframoxid, Strontiumoxid, Calcium-/Titanoxid, Vanadiumoxid, Zirconiumdioxid, Molybdänoxid, oder eine Mischung bzw. eine Legierung aus zwei oder mehreren dieser Materialien ist.
  11. Anlage nach Anspruch 7, worin das elektrisch leitfähige Material ein organisches Material beinhaltet.
  12. Anlage nach Anspruch 11, worin das organische Material ein oder mehrere Materialien aus der Gruppe PEDOT:PSS, dotierter, konjugierter, organischer Materialien, oder dotierter Fullerene, zum Beispiel dotiertes C60, beinhaltet.
  13. Anlage nach Anspruch 7, worin das erste Ladungstransfer-Material ein Halbleiter vom n-Typ oder p-Typ ist.
  14. Anlage nach Anspruch 7, worin das erste Ladungstransfer-Material n-dotiert ist.
  15. Anlage nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Schicht funktionalisierten C60, das an das erste Ladungstransfer-Material kovalent gebunden ist.
  16. Anlage nach Anspruch 1, worin das erste Ladungstransfer-Material amorphes Silizium oder hydriertes amorphes Silizium ist.
  17. Anlage nach Anspruch 13, worin das amorphe Silizium an einem oberen Teil des nanostrukturierten Templats dicker und an einem tiefer liegenden Teil des Templats dünner ist.
  18. Anlage nach Anspruch 16, worin das amorphe Silizium eine Beschichtung zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm dick ist.
  19. Anlage nach Anspruch 16, worin das zweite Ladungstransfer-Material eine Bandlücke aufweist, die weniger als ungefähr 2 eV beträgt.
  20. Anlage nach Anspruch 16, worin das amorphe Silizium n-dotiert ist.
  21. Anlage nach Anspruch 20, worin das zweite Ladungstransfer-Material ein Material vom p-Typ ist.
  22. Anlage nach Anspruch 21, worin eine dominante negative Ladungsträgerenergie des zweiten Ladungstransfer-Materials innerhalb 1 eV des LUMO oder Leitungsbandes des ersten Ladungstransfer-Materials liegt, und worin eine Lochenergie des zweiten Ladungstransfer-Materials über einem oder mehreren Valenzbandzuständen des ersten Ladungstransfer-Materials liegt.
  23. Anlage nach Anspruch 22, worin das dominante negative Ladungsträgerenergieniveau des zweiten Ladungstransfer-Materials innerhalb von 0,2 eV der Leitungsband- oder LUMO-Zustände des ersten Ladungstransfer-Materials liegt.
  24. Anlage nach Anspruch 16, worin das zweite Ladungstransfer-Material ein Polymer, Copolymer oder eine Mischung auf Thiophen-, Fluor- oder Aryl-Vinyl-Basis ist.
  25. Anlage nach Anspruch 1, worin das erste Ladungstransfer-Material ein funktionalisiertes Fulleren beinhaltet.
  26. Anlage nach Anspruch 25, worin das funktionalisierte Fulleren C60-COOH oder PCBM ist.
  27. Anlage nach Anspruch 1, worin das erste und zweite Ladungstransfer-Material zusammengemischt sind.
  28. Anlage nach Anspruch 1, worin sowohl das erste als auch das zweite Ladungstransfer-Material organische Materialien sind.
  29. Anlage nach Anspruch 1, worin das eine oder mehrere der ersten und zweiten Ladungstransfer-Materialien ein Material beinhalten, das aus der Gruppe der
  30. Polymere, Copolymere oder Mischungen auf Thiophen-, Fluor- oder Aryl-Vinyl-Basis, Polyphenyle 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, organometallischen Polymere, Polymere, die Peryleneinheiten enthalten, Polysquaraine und ihren Derivate, diskotischen Flüssigkristall-Polyfluorene, Polyfluoren-Copolymere, Copolymere auf Polyfluorenbasis, die mit ladungstransportierenden Verbindungen copolymerisiert und/oder gemischt sind, Copolymere auf Polyfluorenbasis, die mit Triphenylaminen und 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 copolymerisiert und/oder gemischt sind, Copolymere auf Polyfluorenbasis, die mit Heteroatom-Ringverbindungen mit oder ohne Substituenten copolymerisiert und/oder gemischt sind, Pigmente, Farbstoffe, kleinen Moleküle (small molecules) oder Fullerene gewählt ist.
  31. Anlage nach Anspruch 1, worin ein oder mehrere der ersten und zweiten 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), Kupfer-Phtalocyanine (CuPc), Zink-Phtalocyanine (ZnPc), Perylene, Perylene-Derivate, Pentacene, Pentacen-Derivate, Pentacen-Vorgänger, 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 gewählt ist.
  32. Anlage nach Anspruch 1, worin das zweite Ladungstransfer-Material ein oder mehrere Materialien beinhaltet, 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-Nanorohre, Farbstoffe, Ruthenium-Farbstoffe, Pigmente, organischen Monomere, Oligomere, und Polymeren, Tetra-Hydro-Thiophen-Vorgänger-Polymere und deren Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und dessen Derivate, konjugierten Polymere gewählt sind.
  33. Anlage nach Anspruch 1, worin das erste Ladungstransfer-Material ein anorganisches Material ist.
  34. Anlage nach Anspruch 32, worin das erste Ladungstransfer-Material Cadmiumsulfid, Cadmium(II)-oxid oder Kupferoxid ist.
  35. Anlage nach Anspruch 1, worin das zweite Ladungstransfer-Material ein anorganisches Material ist.
  36. Anlage nach Anspruch 32, worin das zweite Ladungstransfer-Material Cadmiumselenid, Zinkselenid, Cadmiumtellurid, Zinktellurid, Cadmium-Tellurium-Selenid, Kupfer-Indium-Selenid, Kupferoxid oder Kupfersulfid, oder Mischungen bzw. Legierungen von zwei oder mehreren dieser Materialien ist.
  37. Anlage nach Anspruch 1, worin sowohl das erste als auch das zweite Ladungstransfer-Material anorganische Materialien sind.
  38. Anlage nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Grenzflächenschicht, die zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material angeordnet ist.
  39. Anlage nach Anspruch 37, 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.
  40. Anlage nach Anspruch 37, worin die Grenzflächenschicht C60, C60-COOH, Fullerene, mit Ausnahme von C60, Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM), oder C60 oder andere Fullerene beinhaltet, die mit einer Karbonsäurekomponente funktionalisiert sind.
  41. Anlage nach Anspruch 1, ferner umfassend eine erste und zweite Elektrode, worin das nanostrukturierte Templat zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnet ist.
  42. Anlage nach Anspruch 40, worin eine oder mehrere der ersten und zweiten Elektroden transparent sind.
  43. 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.
  44. Anlage nach Anspruch 1, worin das Templat aus Aluminiumoxid hergestellt ist.
  45. Anlage nach Anspruch 1, worin die Templatelemente eine oder mehrere längliche Strukturen beinhalten.
  46. Anlage nach Anspruch 44, worin die länglichen Strukturen eine(n) oder mehrere Röhren, Säulen, Nadeln, Whisker oder längliche Kristalle beinhalten, die aus einer Oberfläche hervorstehen.
  47. Anlage nach Anspruch 44, worin die länglichen Strukturen eine(n) oder mehrere Öffnungen, Poren oder Kanäle beinhalten, die in einer oder durch eine Materialschicht gebildet sind.
  48. Photovoltaikanlage, umfassend: eine Basiselektrode; eine Topelektrode; ein isolierendes, nanostrukturiertes Templat, das zwischen der Basiselektrode und Topelektrode angeordnet ist, worin das nanostrukturierte Templat aus einem isolierenden Material hergestellt ist, und das nanostrukturierte Templat Templatelemente zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 500 nm im Durchmesser mit einer Elementdichte von zwischen ungefähr 1012 Elementen/m2 und ungefähr 1016 Elementen/m2 aufweist; ein erstes Ladungstransfer-Material, welches das isolierende, nanostrukturierte Templat in einer Weise beschichtet, die zusätzlichen Raum zurücklässt; und ein zweites Ladungstransfer-Material in dem zusätzlichen Raum, so dass das erste und zweite Ladungstransfer-Material volumetrisch interdigitalisiert sind, worin sich ein Leitungsband oder niedrigstes unbesetztes Molekularorbital (LUMO) des ersten Ladungstransfer-Materials von einem Leitungsband oder LUMO des zweiten Ladungstransfer-Materials um mehr als ungefähr 0,2 eV unterscheidet, worin eine Absorption von wenigstens einem Ladungstransfer-Material größer als ungefähr 103/cm bei der Absorptionsspitze ist.
  49. Anlage nach Anspruch 47, worin das erste Ladungstransfer-Material amorphes Silizium oder hydriertes amorphes Si ist.
  50. Anlage nach Anspruch 47, ferner umfassend eine leitfähige Beschichtung auf einer oder mehreren Wänden der Templatelemente, so dass die leitfähige Beschichtung zwischen dem ersten Ladungstransfer-Material und dem isolierenden, nanostrukturierten Templat angeordnet ist.
  51. Anlage nach Anspruch 47, ferner umfassend eine Grenzflächenschicht, die zwischen dem zweiten Ladungstransfer-Material und der Topelektrode angeordnet ist.
  52. Anlage nach Anspruch 50, worin die Grenzflächenschicht eine Grenzschicht, ein organisches Material oder ein leitendes Polymer beinhaltet.
  53. Anlage nach Anspruch 47, worin sich das erste und das zweite Ladungstransfer-Material nicht erheblich über eine Oberfläche des nanostrukturierten Templats erstrecken.
  54. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikanlage, umfassend: Bilden eines nanostrukturierten Templats, das regelmäßige Templatelemente zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 500 nm im Durchmesser mit einer Porendichte von zwischen ungefähr 1012 Elementen/m2 und ungefähr 1016 Elementen/m2 aufweist; Beschichten einer oder mehrerer Wände der Templatelemente mit einem ersten Ladungstransfer-Material in einer Weise, die zusätzlichen Raum zurücklässt; und Füllen des zusätzlichen Raums mit einem zweiten Ladungstransfer-Material, so dass das erste und zweite Ladungstransfer-Material volumetrisch interdigitalisieren, worin das zweite Ladungstransfer-Material komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf das erste Ladungstransfer-Material aufweist, worin sich ein niedrigstes unbesetztes Molekularorbital (LUMO) oder Leitungsband des ersten Ladungstransfer-Materials von einem LUMO oder Leitungsband des zweiten Ladungstransfer-Materials um mehr als ungefähr 0,2 eV unterscheidet, worin eine Absorption von wenigstens einem Ladungstransfer-Material größer als ungefähr 103/cm bei einer Absorptionsspitze ist.
  55. Verfahren nach Anspruch 53, ferner umfassend das Beschichten einer oder mehrerer Wände der Templatelemente mit einem leitfähigen Material, bevor die Wände der Templatelemente mit dem ersten Ladungstransfer-Material beschichtet werden, so dass das leitfähige Material zwischen dem isolierenden Templat und dem ersten Ladungstransfer-Material angeordnet ist.
  56. Verfahren nach Anspruch 53, worin das Beschichten der Wände der Templatelemente mit dem ersten Ladungstransfer-Material Atomic Layer Deposition (ALD-Verfahren), Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD-Verfahren), Atomic Vapor Deposition (AVD-Verfahren), Sputtern, Chemical Vapor Deposition (CVD-Verfahren), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD-Verfahren), impulsgesteuertes CVD-Verfahren, metallorganische Dampfphasenepitaxie, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD-Verfahren), elektrochemische Abscheidung, außenstromlose Abscheidung (Chemical Bath Deposition, CBD-Verfahren), Verdampfen, Sputtern, Plattierung, Ionenplattierung, Molekularstrahlepitaxie, Abscheidung auf Solgel-Basis, Sprühpyrolyse, Dampfphasenabscheidung, Lösungsmitteldampfabscheidung, metallorganische Dampfphasenabscheidung, metallorganische Dampfphasenepitaxie, Selbstzusammenbau, elektrostatischen Selbstzusammenbau, Schmelzfüllung/beschichtung, elektrochemische Abscheidung, Elektroplattierung, Layer-by-Layer Deposition (LBL-Abscheidung) oder Flüssigphasenabscheidung beinhaltet.
  57. Verfahren nach Anspruch 53, worin das erste Ladungstransfer-Material ein Material vom n-Typ ist und das zweite Ladungstransfer-Material ein Material vom p-Typ ist.
  58. Verfahren nach Anspruch 53, worin das erste Ladungstransfer-Material eine Schicht amorphen Siliziums beinhaltet.
  59. Verfahren nach Anspruch 53, worin das Füllen des zusätzlichen Raums das Legen des zweiten Ladungstransfer-Materials in einen Raum beinhaltet, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material belegt ist.
  60. Verfahren nach Anspruch 53, worin das Bilden des nanostrukturierten Templats das Anodisieren einer Metallschicht beinhaltet.
  61. Verfahren nach Anspruch 59, ferner umfassend das Beschichten des nanostrukturierten Templats mit einer Schicht leitfähigen Materials.
  62. Verfahren nach Anspruch 60, worin das Beschichten des nanostrukturierten Templats mit einer Schicht leitfähigen Materials das Aussetzen des Templats einem Reduktionsmittel beinhaltet, um ein Oxidmaterial einer Seitenwand und/oder Basis der Templatelemente zu reduzieren, um die Seitenwand und/oder Basis elektrisch leitend zu machen.
  63. Verfahren nach Anspruch 53, worin das Bilden des nanostrukturierten Templats das teilweise Anodisieren einer Metallschicht beinhaltet, so dass ein anodisierter Teil der Metallschicht zu dem Templat wird, während ein nicht anodisierter Teil als eine Elektrode fungieren kann.
  64. Verfahren nach Anspruch 62, ferner umfassend das Entfernen einer Grenzschicht an einem unteren Ende von einer oder mehreren Templatstrukturen.
  65. Verfahren nach Anspruch 62, ferner umfassend das Bilden einer Schicht leitenden oder halbleitenden Materials an einem unteren Ende von einer oder mehreren Templatstrukturen.
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