DE102006053953B4

DE102006053953B4 - Fotovoltaische Struktur mit einer Elektrode aus einem Array leitender Nanodrähte

Info

Publication number: DE102006053953B4
Application number: DE102006053953.2A
Authority: DE
Inventors: Fengyan Zhang; Robert A. Barrowcliff; Sheng Teng Hsu
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2026-11-16
Also published as: US7635600B2; DE102006053953A1; US20070111368A1; JP2007142386A

Abstract

Fotovoltaische Struktur mit einer Elektrode mit einem Array leitender Nanodrähte, mit: einer unteren Elektrode (102) mit leitenden Nanodrähten (104); einer ersten Halbleiterschicht (106) von erstem Dotierungstyp über den Nanodrähten; einer zweiten Halbleiterschicht (108) von zweitem Dotierungstyp, der dem ersten entgegengesetzt ist, über der ersten Halbleiterschicht, wobei die erste und zweite Halbleiterschicht (106, 108) in dem Raum zwischen den leitenden Nanodrähten (104) ausgebildet sind; und einer oberen Elektrode (110) auf der zweiten Halbleiterschicht, wobei die zweite Halbleiterschicht (108) eine unregelmäßige Oberseite (114) aufweist; und die obere Elektrode (110) eine unregelmäßige Unterseite (116), die eine Grenzfläche zur Oberseite der zweiten Halbleiterschicht bildet, und eine ebene Oberseite (118) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein integrierte Schaltkreise (ICs), und spezieller betrifft sie ein fotovoltaisches Bauteil unter Verwendung einer Elektrode mit einem Array leitender Nanodrähte.
Eine fotovoltaische Zelle, die häufig auch als Solarzelle bezeichnet ist, ist in der Regel ein Halbleiterbauteil mit einer großflächigen Diode mit pn-Übergang. Bei Bestrahlung mit Sonnenlicht kann eine derartige Solarzelle elektrische Energie erzeugen. Diese Wandlung wird als fotovoltaischer Effekt bezeichnet. Ein besonderes Problem bei Solarzellen ist deren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der elektrischen Ausgangsleistung zur Licht-Eingangsleistung. Sonnenstrahlung zeigt einen ungefähren Maximalwert von 1000 Watt pro Quadratmeter (W/m²). Der Wirkungsgrad von Solarzellen variiert zwischen 6%, wenn amorphes Silicium verwendet wird, oder 30% oder sogar noch mehr, wenn Labormaterialien verwendet werden.
Das üblichste Solarzellenmaterial ist kristallines Silicium. Einkristalline Zellen zeigen einen Wirkungsgrad der Größenordnung von 14–20%, jedoch sind sie teuer, da sie aus zylindrischen Barren heraus geschnitten werden. Polykristalline Zellen werden aus gegossenen Barren hergestellt. Während sie billiger und einfach mit gewünschten Formen herstellbar sind, zeigen sie jedoch einen geringeren Wirkungsgrad. Nanokristalline Strukturen sind einfach herstellbar, zeigen jedoch auch einen geringen Wirkungsgrad. Selbsttragende Wafer beliebiger Kristallstruktur werden miteinander verlötet, um ein Modul zu bilden.
Bei Dünnschichtstrukturen wird das gesamte Modulsubstrat beschichtet und geätzt, um eine Unterteilung in einzelne Zellen vorzunehmen. Es werden Filme aus amorphem Silicium unter Verwendung von CVD(chemische Dampfabscheidung)-Techniken, typischerweise mit Plasmaunterstützung (PECVD), hergestellt. Diese Zellen zeigen kleine Wirkungsgrade von ungefähr 8%. CIS, das eine gattungsgemäße Bezeichnung für Chalcogenidfilme aus Cu(In_xGa_1-x)(Se_xS_1-x)₂ ist, bildet Dünnschichten, die einen Wirkungsgrad von 11% erzielen können, wobei jedoch die Herstellkosten relativ hoch sind.
Wie oben beschrieben, werden die meisten Solarzellen auf Si-Basis hergestellt. Da Silicium ein Atom der Gruppe IV ist, verfügt jedes Atom in seiner Außenschale über vier Valenzelektronen. Siliciumatome können mit anderen Siliciumatomen kovalent binden, um einen Festkörper aufzubauen. Es existieren zwei Grundtypen festen Siliciums, nämlich amorph und kristallin. Bei einem festen Halbleiter existieren bestimmte Energiebänder, die Elektronen einnehmen können, wobei andere Energien zwischen diesen Bändern verboten sind. Der verbotene Bereich wird als Bandlücke bezeichnet.
Bei Raumtemperatur ist reines Si ein schlechter elektrischer Leiter, da das Ferminiveau in einer Bandlücke liegt. Um die Leitfähigkeit zu verbessern, wird Si mit sehr kleinen Mengen von Atomen entweder der Gruppe III oder der Gruppe V des Periodensystems dotiert. Diese Dotieratome nehmen die Stelle von Siliciumatomen im Kristallgitter ein, und Bindungen zu ihren benachbarten Si-Atomen sind beinahe gleich wie bei Si-Atomen. Da jedoch Atome aus der Gruppe III nur über drei Valenzelektronen verfügen, wohingegen Atome aus der Gruppe V über fünf Valenzelektronen verfügen, existieren entweder zu wenige oder zu viele Elektronen im Vergleich zu vier kovalenten Bindungen um jedes Atom herum. Da diese zusätzlichen oder fehlenden Elektronen (als ”Löcher” bezeichnet) an den kovalenten Bindungen des Kristallgitters nicht teilhaben, können sie sich innerhalb des Festkörpers frei bewegen. Wenn Si mit Atomen der Gruppe III dotiert wird, wie Aluminium oder Gallium, wird es zu p-Si, da die Majoritätsladungsträger (Löcher) eine positive Ladung tragen, während mit Atomen der Gruppe V, wie Phosphor oder Arsen, dotiertes Si zu n-Si wird, da die Majoritätsladungsträger (Elektronen) negativ sind.
Durch die Absorption von Photonen werden Elektron-Loch-Paare gebildet, die zu den elektrischen Kontakten diffundieren und als elektrische Energie entnommen werden können. Wenn ein Lichtphoton auf ein Stück Silicium trifft, können zwei Vorgänge eintreten. Als Erstes kann das Photon gerade durch das Si laufen, was dann wahrscheinlich ist, wenn seine Energie niedriger als diejenige der Si-Bandlücke ist. Alternativ wird das Photon durch das Si absorbiert, was dann wahrscheinlich ist, wenn seine Energie größer als die Bandlückenenergie ist. Wenn ein Photon absorbiert wird, gibt es seine Energie an ein Elektron im Kristallgitter ab. Im Allgemeinen befindet sich dieses Elektron im Valenzband, und es ist eng an kovalenten Bindungen zu benachbarten Atomen beteiligt, weswegen es sich nicht weit bewegen kann. Die Energie, die ihm durch das Photon verliehen wird, führt zu einer ”Anregung” in das Leitungsband, wo es sich innerhalb des Halbleiters frei bewegen kann. Die kovalente Bindung, an der das Elektron zuvor Teil hatte, zeigt nun als Ergebnis des Ablösens des Elektrons ein Loch. Gebundene Elektronen aus benachbarten Atomen können sich in dieses Loch bewegen, wobei sie wiederum ein Loch zurücklassen. Auf diese Weise bewegt sich ein Loch durch das Gitter. Alternativ gesagt, erzeugen im Si absorbierte Photonen bewegliche Elektron-Loch-Paare.
Eine typische Solarzelle verfügt über eine Schicht aus n-Si angrenzend an eine Schicht aus p-Si. Wie oben erläutert, diffundieren Elektronen vom Bereich hoher Elektronenkonzentration, wobei es sich um die n-Seite des Übergangs handelt, in den Bereich niedriger Elektronenkonzentration, wobei es sich um die Seite des Übergangs vom p-Typ handelt. Wenn die Elektronen durch den pn-Übergang diffundieren, rekombinieren sie mit Löchern auf der p-Seite. Wenn Elektronen von Donatoratomen auf der n-Seite des Übergangs zur p-Seite laufen, sorgen positiv geladene Kerne von Donatoratomen der Gruppe V dafür, dass die n-Seite des Übergangs positiv geladen wird. Gleichzeitig erzeugen, da Elektronen die Löcher auf der p-Seite des Übergangs auffüllen, die Akzeptoratome der Gruppe III einen Überschuss negativer Ladung auf der p-Seite des Übergangs. Dieses Ladungsungleichgewicht über den pn-Übergang hinweg baut ein elektrisches Feld auf, das einer weiteren Diffusion von Ladungsträgern über den Übergang hinweg entgegenwirkt.
Der Bereich, in denen die Elektronen diffundiert sind, wird als Verarmungsbereich oder Raumladungsbereich bezeichnet, da sich dort keine beweglichen Ladungsträger befinden. Das über den pn-Übergang hinweg aufgebaute elektrische Feld bildet eine Diode, die Strom in einer einzelnen Richtung durchlässt. D. h., dass Elektronen von der n- zur p-Seite fließen und Löcher entgegengesetzt fließen.
Wenn jedoch ein durch ein Photon erzeugtes Elektron-Loch-Paar innerhalb der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger des Übergangs erzeugt wird, fließt ein Strom durch den Übergang. D. h., dass das elektrische Feld am Übergang entweder ein Elektron zur n-Seite oder ein Loch zur p-Seite schickt.
Die Erfindung leitender Polymere hat zur Entwicklung viel billigerer Zellen geführt, die auf billigen Kunststoffen statt auf halbleitendem Silicium beruhen. Jedoch leiden organische Solarzellen an einer Beeinträchtigung durch W-Licht, und sie zeigen eine begrenzte Lebensdauer.
Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupferindiumgalliumselenid (CIGS) können dazu verwendet werden, Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad herzustellen. Abweichend von einer Si-Zelle mit pn-Übergang werden diese Zellen am besten durch ein komplexeres Heteroübergangsmodell beschrieben.
Solarzellen aus Polymer- und anderen organischen Materialien werden aus ultradünnen Schichten organischer Halbleiter, wie Polyphenylenvinylen und Fullerenen hergestellt. Das pn-Übergangsmodell beschreibt die Funktion derartiger Zellen nur teilweise. Andere Funktionen, wie ein Elektronenhopping, tragen ebenfalls zur Zellenfunktion bei. Während diese Zellen billiger als Zellen aus Si oder einem anderen anorganischen Material herstellbar sind, sind ihre Wirkungsgrade niedrig, und die Empfindlichkeit auf Umwelteinflüsse ist hoch. Jedoch wurde die Technologie bereits kommerziell bei organischen LEDs und organischen (Polymer) Displays angewandt.
WO 2004/053 941 A2 beschreibt ein optoelektronisches Bauelement wie eine Solarzelle, ein Lichtemissionselement oder einen Fotodetektor. Auf einem Substrat sind eine Anzahl von Fasern angeordnet, wobei ein Ende jeder Faser elektrisch mit der Substratoberfläche in Kontakt steht. Eine optionale erste Schicht bedeckt das Substrat, von dem aus sich die Fasern erstrecken und eine zweite Schicht bedeckt wenigstens Teil der ersten Schicht als auch die freigelegten Fasern.
WO 2004/086 464 A2 beschreibt Fotovoltaikzellen, die eine Gitterelektrode auf wenigstens einer Außenseite der fotovoltaischen Zelle aufweisen. Vorzugsweise ist die Gitterelektrode ein metallisches Gitter. Eine Ausführungsform betrifft eine Farbstoffsolarzelle mit einer Drahtgeflechtelektrode sowie einem fotovoltaischen Material einschließlich einer zwischengeschalteten fotoempfindlichen Nanopartikelschicht.
JP H03-151 672 A betrifft eine amorphe Siliziumsolarzelle. Die Zelle weist einen 0.01 μm–1 μm Durchmesser aufweisenden kolumnaren Si-Kristall auf, der auf einem Substrat vertikal zur Substratoberfläche gewachsen ist, sowie eine Mehrzahl amorpher Siliziumschichten, die auf den Oberflächen des Substrats und auf einer Oberfläche des kolumaren Si-Kristalls abgeschieden sind, wobei die amorphen Siliziumschichten einen PIN-Übergang ausbilden.
US 4 155 781 A beschreibt eine Solarzelle mit einem Halbleiterkörper bestehend aus einkristallinen Halbleiterfäden, die auf einer Substratoberfläche ausgebildet sind.
US 6 518 494 B1 beschreibt eine Siliziumstruktur als auch eine Solarbatterie, die die Siliziumstruktur verwendet. Hierbei ist auf einer gesamten Oberfläche eines Quarzsubstrats Mo abgeschieden, um eine untere Elektrode auszubilden. Auf der gesamten Oberfläche der unteren Elektrode ist eine Siliziumstruktur aus kolumnaren Siliziumelementen ausgebildet. Auf der Oberfläche der Siliziumstruktur ist P in die Umgebung der kolumnaren Elemente eindiffundiert. Eine transparente Elektrode als auch eine darauf ausgebildete Al aufweisende obere Elektrode sind auf der Siliziumstruktur ausgebildet.
US 6 860 982 B2 betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer nadelförmigen Zinkoxidstruktur durch Aufwachsen eines nadelförmigen Zinkoxids auf ein Substrat.
DE 103 92 855 T5 betrifft eine Solarelektrizitätszelle mit Nanoarchitektur. Diese umfasst zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Elektronenaffinitäten, wobei die Solarzellenanlage durch eine Architektur gekennzeichnet ist, worin die zwei Materialien regelmäßig angeordnet sind und worin die Anwesenheit der zwei oder mehr Materialien in Abständen von zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm wechselt.
WO 2004/044 948 A2 betrifft Fotovoltaikbauelemente. Das Bauelement zeichnet sich dadurch aus, dass zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Elektronenaffinitäten regelmäßig angeordnet sind, so dass deren Vorliegen mit Abständen von zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm alterniert.
US 2002/0 063 065 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ausbilden eines Zinkoxidfilms sowie ein Verfahren zum Herstellen eines fotovoltaischen Bauelements mit dem Zinkoxidfilm.
WO 03/019 676 A1 beschreibt ein Verfahren zum Strukturieren eines Substrats, bei dem ein dünner texturierter Film auf die Oberfläche des Trägermaterials auf einer Glasplatte aufgebracht wird. Eine Oberfläche dieses texturierten Films wird nach weiterer Verarbeitung zur Ausbilden eines fotovoltaischen Bauelements genutzt.
JP 2004-152 787 A betrifft ein Halbleiterelement und sein Herstellungsverfahren. Das Halbleiterelement umfasst eine erste Elektrode, eine mit der ersten Elektrode verbundene Nanoröhre, eine die Nanoröhre einbettende Halbleiterschicht und eine mit der Halbleiterschicht elektrisch verbundene zweite Elektrode, die die Nanoröhre nicht berührt.
Die 1 ist ein Teilschnitt einer volumenmäßigen Heterostruktur mit Phasentrennung (Stand der Technik). Um den Wirkungsgrad zu verbessern wurde eine organische, fotovoltaische Struktur unter Verwendung eines Volumen-Heteroübergangs vorgeschlagen, wobei ein Gießvorgang mit einer Mischung zweier organischer Filme, die auf ein Substrat aufgetragen werden, erfolgt, wie es in der 1 dargestellt ist. Das Problem bei dieser Art von Struktur sind die ungeordneten Nanostrukturen, da die zwei erzeugten Phasen durch eine zu große Längenskala getrennt sind. Demgemäß können einige der erzeugten Exzitonen nicht an eine Grenzfläche diffundieren, so dass sie dissoziieren, bevor sie elektrische Energie abgeben. Anders gesagt, zeigen die Phasen ”tote Enden”, die verhindern, dass Ladungsträger eine Elektrode erreichen.
Die 2 ist ein Teilschnitt einer Solarzelle mit geordnetem Volumen-Heteroübergang unter Verwendung ebener unterer und oberer Elektroden und eines konjugierten Polymers zum Auffüllen von Poren (Stand der Technik). Um das Phasentrennungsproblem zu berücksichtigen, wurde ein geordneter Heteroübergang vorgeschlagen. Eine der attraktivsten Vorgehensweisen besteht in der Verwendung eines Block-Copolymers, das sich selbst so anordnet, dass ein Array von Zylindern gebildet wird, die orthogonal zum Substrat ausgerichtet sind. Unglücklicherweise ist diese Struktur sehr schwierig herzustellen und kommerziell nicht realisierbar.
Eine andere Vorgehensweise besteht in der Verwendung eines organisch-anorganischen Verbundstoffs, der ein konjugiertes Polymer mit einem anorganischen Halbleiter mit Nanostruktur und großer Bandlücke, wie TiO₂, CdS oder ZnO, kombiniert. Der anorganische Halbleiter mit Nanostruktur kann ein Array von Nanodrähten sein, die auf eine flache, leitende Elektrode aufgewachsen sind. Das konjugierte Polymer füllt die Poren aus. Dann wird eine flache, transparente, leitende obere Elektrode abgeschieden. Im Allgemeinen werden Katalysatoren oder Keimbildungsschichten auf der unteren Elektrode abgeschieden, um die Ausbildung eines Halbleiterarrays zu fördern. Manchmal ist die Ausbildungstemperatur des Halbleiterarrays hoch, was die Verwendung eines Prozesses mit Substraten aus billigem Glas oder Kunststoff verhindert. So ist es schwierig, ein Array aus Halbleiter-Nanodrähten über einer Elektrode mit flacher Oberfläche zu züchten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fotovoltaische Struktur mit einer Elektrode aus einem Array leitender Nanodrähte zu schaffen.
Diese Aufgabe ist durch die Struktur gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Die fotovoltaische Struktur gemäß der Erfindung verfügt über ein Array leitender Nanodrähte, wie solchen aus IrO₂ oder ITO, die mit einer unteren Elektrode verbunden sind. Die Nanodrähte sind durch zwei Halbleiterschichten bedeckt. Das Nanodrahtarray der unteren Elektrode kann bei niedriger Temperatur hergestellt werden, wenn IrO₂-Nanodrähte verwendet werden. Dann kann die Abscheidung der folgenden Halbleiterschichten durch einen beliebigen herkömmlichen Prozess, wie CVD, PVD, ALD, Aufschleudern oder einen elektrochemischen Prozess anstelle eines komplizierten Nanostrukturierprozesses erfolgen. Das Verfahren ist relativ einfach kontrollierbar, solange die Elektrode aus einem Array leitender Nanodrähte früh im Prozess hergestellt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsformen näher erläutert.
1 ist ein Teilschnitt einer Volumen-Heterostruktur mit Phasentrennung gemäß dem Stand der Technik.
2 ist ein Teilschnitt einer Solarzelle mit einem geordneten Volumen-Heteroübergang unter Verwendung einer jeweils ebenen unteren und oberen Elektrode und einem konjugierten Polymer zum Auffüllen von Poren gemäß dem Stand der Technik.
3A und 3B sind Teilschnitte einer fotovoltaischen Struktur mit einer Elektrode mit einem Array leitender Nanodrähte gemäß einem Beispiel in 3A und einer Ausführungsform der Erfindung in 3B.
4 ist eine andere Ansicht zum Veranschaulichen der beispielhaften Struktur gemäß der 3A.
5 ist ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen einer fotovoltaischen Struktur mit einer Elektrode mit einem Array leitender Nanodrähte.
Die in den 3A und 3B dargestellte fotovoltaische Struktur 100 verfügt über eine untere Elektrode (UE) 102 aus leitenden Nanodrähten 104. Die untere Elektrode kann auf einem Substrat hergestellt werden, das beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, Glas, Keramik, Metall, Quarz oder Kunststoff besteht. Die Nanodrähte 104 bestehen typischerweise aus einem Material wie IrO₂, In₂O₃, SnO₂, Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) oder ITO. Jedoch können auch andere leitende Materialien verwendet werden. Für die Nanodrähte besteht keine Einschränkung auf irgendeinen besonderen Durchmesser, eine besondere Länge oder eine besondere Dichte. Die Nanodrähte können ein- oder mehrwandig sein. über den Nanodrähten 104 befindet sich eine erste Halbleiterschicht 106 von erstem Dotierungstyp. Eine zweite Halbleiterschicht 108 von zweiten Dotierungstyp, entgegengesetzt zum ersten, liegt auf der ersten Halbleiterschicht 106. Auf der zweiten Halbleiterschicht 108 befindet sich eine obere Elektrode (OE) 110.
Wenn beispielsweise die erste Halbleiterschicht 106 einen n-Dotierstoff enthält, enthält die zweite Halbleiterschicht 108 einen p-Dotierstoff, oder umgekehrt.
Die erste Halbleiterschicht 106 kann aus einem Material wie einem leitenden Polymer, einem konjugierten Polymer mit einem Fullerenderivat oder anorganischen Materialien wie CdSe, CdS, Titanoxid oder ZnO bestehen. In ähnlicher Weise kann die zweite Halbleiterschicht 108 aus derartigen Materialien bestehen. Diese beiden Halbleiterschichten werden also aus derselben Materialgruppe hergestellt. Wie oben angegeben, liegt der Unterschied zwischen ihnen in der Dotierung.
Die untere Elektrode 102 kann nicht transparent sein, während die obere Elektrode 110 transparent ist. Beispielsweise besteht die untere Elektrode 102 aus Pt, Al oder Ir. Die obere Elektrode 110 besteht dann beispielsweise aus Indiumzinnoxid (ITO), IrO₂, In₂O₃ oder SnO₂. Dies ist jedoch keine erschöpfende Liste für alle möglichen transparenten oder nicht transparenten Materialien, und dem Fachmann sind weitere Materialien bekannt. Die Materialien können gerade umgekehrt verwendet, so dass also die untere Elektrode 102 transparent ist und die obere Elektrode aus einem nicht transparenten Material besteht.
Der Unterschied zwischen den 3A und 3B besteht hauptsächlich in der Struktur der zweiten Halbleiterschicht 108. In der 3A beschichtet die erste Halbleiterschicht 106 in angepasster Form die Nanodrähte, und die zweite Halbleiterschicht 108 füllt Zwischenräume in der ersten Halbleiterschicht 106 aus, wodurch eine ebene Grenzfläche 112 zur oberen Elektrode 110 gebildet ist. In der 3B beschichtet dagegen die zweite Halbleiterschicht 108 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform die erste Halbleiterschicht 106 auf besser angepasste Form. Jedoch existiert zur oberen Elektrode 110 hin keine ebene Grenzfläche. D. h., dass das zweite Halbleitermaterial eine unregelmäßige (nicht flache) Oberfläche 114 zeigt und die obere Elektrode 110 eine unregelmäßige Unterseite 116 zu dieser, jedoch eine ebene Oberseite 118 zeigt.
Die 4 entspricht der 3A, jedoch mit anderer Beschriftung. Wie erkennbar, ist ein Array leitender Nanodrähte direkt auf der unteren Elektrode ausgebildet und mit zwei Halbleitermaterialien beschichtet, beispielsweise einem konjugierten Polymer und einem Fullerenderivat, einem anderen Polymer oder einer anorganischen Halbleiterschicht wie einer solchen aus CdSe, CdS, Titanoxid oder ZnO. Die zwei Schichten aus den organischen oder anorganischen Halbleitermaterialien können abhängig von der Abscheidungstechnik und dem gewünschten Wirkungsgrad in beliebiger Abfolge aufgebracht werden. Eine Art besteht im Auftragen der ersten Schicht unter Verwendung einer Technik mit guter Stufenüberdeckung, wie CVD, Atomschichtabscheidung (ALD = Atomic Layer Deposition) oder durch einen elektrochemischen Prozess, um die gesamte Länge eines Drahts zu beschichten. Dann wird die zweite Schicht aufgeschleudert, oder es wird eine Siebdrucktechnik verwendet, um eine ebene Oberfläche zu erzielen. Anschließend wird die obere Elektrode auf dieser ebenen Oberfläche abgeschieden. Ein zweites Verfahren besteht im Auftragen beider Schichten durch ein Verfahren mit guter Stufenüberdeckung, um alle Drähte zu bedecken. Dann kann die obere Elektrode durch Schleuderbeschichten aufgebracht werden, um eine ebene Oberfläche zu erzielen (siehe die 3B).
Das Flussdiagramm der 5 ist zwar zur Veranschaulichung mit einer Abfolge durchnummerierter Schritte aufgebaut, jedoch gibt die Nummerierung nicht notwendigerweise die Reihenfolge der Schritte an. Einige Schritte können übersprungen werden, andere können parallel ausgeführt werden, und andere können vertauscht werden.
Das Verfahren startet in einem Schritt 500. In einem Schritt 502 wird die untere Elektrode mit leitenden Nanodrähten hergestellt. In einem Schritt 504 wird die erste Halbleiterschicht von erstem Dotierungstyp über den Nanodrähten hergestellt. In einem Schritt 506 wird die zweite Halbleiterschicht vom zweiten Dotierungstyp, der dem ersten entgegengesetzt ist, über der ersten Halbleiterschicht hergestellt. In einem Schritt 508 wird die obere Elektrode über der zweiten Halbleiterschicht hergestellt.
Im Schritt 504 zum Herstellen der ersten Halbleiterschicht kann ein Material wie ein leitendes Polymer, ein konjugiertes Polymer mit einem Fullerenderivat oder ein anorganisches Material wie CdSe, CdS, Titanoxid oder ZnO verwendet werden. Ein entsprechendes Material kann im Schritt 506 zum Herstellen der zweiten Halbleiterschicht verwendet werden.
Die Nanodrähte können im Schritt 502 beispielsweise aus IrO₂, In₂O₃, SnO₂, Kohlenstoff (CNT) oder ITO hergestellt werden. Gemäß einer anderen Erscheinungsform wird sie aus Pt, Al oder Ir hergestellt, wobei dann die obere Elektrode im Schritt 508 aus beispielsweise IrO₂, In₂O₃, SnO₂ oder ITO hergestellt wird.
Die erste Halbleiterschicht kann im Schritt 504 durch einen Abscheideprozess wie CVD, PVD, physikalische Dampfabscheidung, ALD, Aufschleudern, Siebdrucken oder elektrochemische Abscheidung erfolgen. Auch die zweite Halbleiterschicht kann im Schritt 506 unter Verwendung einer dieser Techniken abgeschieden werden.
Gemäß einer Erscheinungsform wird die erste Halbleiterschicht im Schritt 504 durch eine Technik mit guter Stufenüberdeckung hergestellt, wobei das Überziehen der Nanodrähte durch das erste Halbleitermaterial unter Verwendung von CVD, ALD oder elektrochemischer Abscheidung erfolgt. Die zweite Halbleiterschicht im Schritt 506 wird dann durch Aufschleudern oder Siebdrucken hergestellt, wodurch sich eine ebene Oberfläche zur Grenzflächenbildung mit der Unterseite der oberen Elektrode ergibt.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform werden die Schritte 504 und 506 beide unter Verwendung von CVD, ALD oder eines elektrochemischen Abscheideprozesses ausgeführt, um eine gute Stufenüberdeckung zu erzielen. Dann wird im Schritt 508 die obere Elektrode durch Aufschleudern oder Siebdrucken hergestellt, wodurch sie eine ebene Oberfläche zeigt.

Claims

Fotovoltaische Struktur mit einer Elektrode mit einem Array leitender Nanodrähte, mit: einer unteren Elektrode (102) mit leitenden Nanodrähten (104); einer ersten Halbleiterschicht (106) von erstem Dotierungstyp über den Nanodrähten; einer zweiten Halbleiterschicht (108) von zweitem Dotierungstyp, der dem ersten entgegengesetzt ist, über der ersten Halbleiterschicht, wobei die erste und zweite Halbleiterschicht (106, 108) in dem Raum zwischen den leitenden Nanodrähten (104) ausgebildet sind; und einer oberen Elektrode (110) auf der zweiten Halbleiterschicht, wobei die zweite Halbleiterschicht (108) eine unregelmäßige Oberseite (114) aufweist; und die obere Elektrode (110) eine unregelmäßige Unterseite (116), die eine Grenzfläche zur Oberseite der zweiten Halbleiterschicht bildet, und eine ebene Oberseite (118) aufweist.
Fotovoltaische Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanodrähte (104) aus IrO₂, In₂O₃, SnO₂, Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) oder Indiumzinnoxid (ITO) bestehen.
Fotovoltaische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Elektrode (102) aus Pt, Al oder Ir besteht; und die obere Elektrode (110) aus IrO₂, In₂O₃, SnO₂, oder ITO besteht.
Fotovoltaische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Elektrode (102) aus IrO₂, In₂O₃, SnO₂, oder ITO besteht; und die obere Elektrode (110) aus Pt, Al oder Ir besteht.
Fotovoltaische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht (106) mit einem n-Dotierstoff dotiert ist und die zweite Halbleiterschicht (108) mit einem p-Dotierstoff dotiert ist.
Fotovoltaische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht (106) mit einem p-Dotierstoff dotiert ist und die zweite Halbleiterschicht (108) mit einem n-Dotierstoff dotiert ist.
Fotovoltaische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht (106) eine an die Nanodrähte (104) angepasste Form aufweist.
Fotovoltaische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht (106) aus einem leitenden Polymer, einem konjugierten Polymer mit einem Fullerenderivat und einem anorganischen Material wie CdSe, CdS, Titanoxid oder ZnO besteht; und die zweite Halbleiterschicht (108) aus einem leitenden Polymer, einem konjugierten Polymer mit einem Fullerenderivat und einem anorganischen Material wie CdSe, CdS, Titanoxid oder ZnO besteht.