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DE102007051884A1 - Amorph-kristalline Solarzellen mit Tandem-Nanostruktur - Google Patents

Amorph-kristalline Solarzellen mit Tandem-Nanostruktur Download PDF

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Publication number
DE102007051884A1
DE102007051884A1 DE102007051884A DE102007051884A DE102007051884A1 DE 102007051884 A1 DE102007051884 A1 DE 102007051884A1 DE 102007051884 A DE102007051884 A DE 102007051884A DE 102007051884 A DE102007051884 A DE 102007051884A DE 102007051884 A1 DE102007051884 A1 DE 102007051884A1
Authority
DE
Germany
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photovoltaic device
elongated nanostructures
nanostructures
multilayer film
photoactive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102007051884A
Other languages
English (en)
Inventor
Loucas Tsakalakos
Bastian Arie Korevaar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Eine photovoltaische Vorrichtung, die mehrere auf der Oberfläche eines Substrats angeordnete längliche Nanostrukturen und einen konform über den länglichen Nanostrukturen abgelagerten mehrschichtigen Film umfasst, der mehrere photoaktive Grenzschichten bildet. Ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen photovoltaischen Vorrichtung umfasst das Erzeugen mehrerer länglicher Nanostrukturen auf einer Substratoberfläche und das konforme Ablagern eines mehrere photoaktive Grenzschichten bildenden mehrschichtigen Films. Die mehreren photoaktiven Grenzschichten sind dazu ausgelegt, verschiedene Lichtwellenlängen einzufangen. Ein Solarkollektor umfasst mindestens eine photovoltaische Vorrichtung.

Description

  • Technischer Bereich
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Solarzellen und genauer gesagt derartige Solarzellen, die konform über länglichen Nanostrukturen angebrachte gestapelte Anordnungen mit mehreren Grenzschichten umfassen.
  • Hintergrundinformationen
  • Derzeit ist Silizium (Si) das am meisten verwendete Material bei der Herstellung von Solarzellen, wobei derartige Solarzellen zum Umwandeln von Sonnenlicht in Elektrizität verwendet werden. Solarzellen mit einzelnen und mehreren p-n Grenzschichten werden zu diesem Zweck verwendet, aber keine ist effizient genug, um die bei der Herstellung und Verwendung dieser Technologie anfallenden Kosten beträchtlich zu verringern. Dementsprechend verhindert Wettbewerb mit herkömmlichen Elektrizitätsquellen die weitverbreitete Verwendung derartiger Solarzellentechnologie.
  • Die meisten elektronischen und opto-elektronischen Vorrichtungen erfordern das Bilden einer Grenzschicht. Zum Beispiel wird ein Material eines Leitfähigkeitstyps in Kontakt mit einem unterschiedlichen Material des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebracht, um eine Heterogrenzschicht zu bilden. Alternativ kann man unterschiedlich dotierte Schichten aus einem einzigen Materialtyp paarweise anordnen, um eine p-n Grenzschicht (oder homogene Grenzschicht) zu erzeugen. Abruptes Bandbiegen an einer Heterogrenzschicht aufgrund einer Änderung im Leitfähigkeitstyp und/oder Variationen in der Bandlücke können zu einer hohen Dichte von Übergangsstellenzuständen führen, die Ladungsträgerrekombination mit sich bringen. Ferner können während der Herstellung an der Grenzschicht eingeführte Defekte als Orte für Ladungsträgerrekombination wirken, welche die Vorrichtungsleistungsfähigkeit verringern.
  • Existierende Solarzellen verlieren aufgrund der Tatsache an Effizienz, dass ein photoangeregtes Elektron als ein Ergebnis der Interaktionen mit Gitterschwingungen, die als Phononen bekannt sind, schnell jegliche Art von Energie verliert, die es über die Bandlücke hinaus haben mag, was zu erhöhter Rekombination führt. Dieser Verlust allein beschränkt die Umwandlungseffizienz einer Standardzelle auf etwa 44%. Dar über hinaus verringert Rekombination photo-erzeugter Elektronen und Löchern mit Einfangszuständen in dem Halbleiterkristall, die mit Punktdefekten (in Zwischenräumen gelegenen Verunreinigungen), Metallanhäufungen, Liniendefekten (Versetzungen), Ebenendefekten (Stapelfehlern), und/oder Korngrenzen verbunden sind, die Effizienz weiter. Obwohl die letztgenannte Verringerung der Effizienz durch die Verwendung anderer Materialien mit geeigneten Eigenschaften (insbesondere großen Diffusionslängen der photo-erzeugten Träger) überwunden werden kann, bringt dies diese Technologie immer noch nicht zu einer Kostenparität mit herkömmlicheren Elektrizitätsquellen.
  • Aufgrund der Tatsache, dass Halbleiter allgemein Licht mit einer Energie, die niedriger als die Bandlücke des verwendeten Materials ist, nicht absorbieren werden, wird ein zusätzlicher Verlust verursacht. Unter Berücksichtigung all dieser photovoltaischen Verluste waren Shockley und Queisser in der Lage, zu zeigen, dass die Leistungsfähigkeit einer Einzelgrenzschichtzelle auf eine Effizienz von etwas über 30 Prozent für eine optimale Zelle mit einer Bandlücke von 1,45 Elektronenvolt (eV) beschränkt ist (Shockley und Queisser, „Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells", J. Appl. Phys., 1961, 32 (3), Seiten 510–519). Neuere Berechnungen haben gezeigt, dass diese „Grenzeffizienz" für eine Einzelgrenzschicht 29 Prozent beträgt (Kerr u. a., „Lifetime and efficiency of limits of crystalline silicon solar cells", Proc. 29. IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2002, Seiten 438–441).
  • Die Absorptionskapazität der eine PV-Vorrichtung (PV = Photovoltaik) zusammensetzenden Materialien kann außerdem die Effizienz der Zelle beeinflussen. Es wurde eine p-i-n Dünnfilmsolarzelle beschrieben, die eine auf einem Material mit variabler Bandlücke gebildete Halbleiterabsorptionsschicht des i-Typs aufweist, wobei die i-Schicht zwischen einer Halbleiterschicht vom p-Typ und einer Halbleiterschicht vom n-Typ angeordnet ist. Siehe hierzu US Patent Nr. 5,252,142 . Ein i-Schicht-Absorber mit variabler Bandlücke bietet verbesserte photoelektrische Umwandlungseffizienz.
  • Es wurde auch gezeigt, dass Solarzellen mit mehreren Grenzschichten verbesserte Effizienzen aufweisen. Die verbesserte Leistungsfähigkeit kann dadurch erreicht werden, dass gestapelte Grenzschichten mit verschiedenen Bandlücken eingebaut werden, um einen größeren Bereich des Lichtspektrums einzufangen. Derartige Vorrichtungen sind typischerweise mit gestapelten p-n Grenzschichten oder gestapelten p-i-n Grenzschichten hergestellt. Jeder Satz von Grenzschichten in dieser Anordnung wird oft als eine Zelle bezeichnet. Eine typische Solarzelle mit mehreren Grenzschichten umfasst zwei oder drei zusammengestapelte Zellen. Die optimalen Bandlücken und theoretischen Effizienzen für Solarzellen mit mehreren Grenzschichten als eine Funktion der Anzahl von Zellen in dem Stapel wurden von Marti und Araujo theoretisch analysiert (A. Marti und G. L. Araujo, Sol. Ener. Mater. Sol. Cells, 1996, 43(2), Seiten 203–222).
  • Nanostrukturen
  • Silizium-Nanodrähte wurden bei Diodenanordnungen mit p-n Grenzschicht beschrieben (Peng u. a., „Fabrication of large-Area Silicon Nanowire p-n Junction Diode Arrays", Adv. Mater., 2004, Band 16, Seiten 73–76). Derartige Anordnungen waren jedoch nicht zur Verwendung in photovoltaischen Vorrichtungen ausgelegt, noch wurde vorgeschlagen, wie derartige Anordnungen dazu dienen könnten, die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen.
  • Silizium-Nanostrukturen wurden bei Solarzellenvorrichtungen beschrieben (Ji u. a., „Silicon Nanostructures by Metal Induced Growth (MIG) for Solar Cell Emitters", Proc. IEEE, 2002, Seiten 1314–1317). Bei derartigen Vorrichtungen können durch Sputtern von Si auf eine Nickel (Ni)-Vorschicht, deren Dicke bestimmt, ob die Si-Nanodrähte innerhalb des Films wachsen oder nicht, in mikrokristallinen dünnen Si-Filmen eingebettete Si-Nanodrähte gebildet werden. Jedoch sind derartige Nanodrähte nicht aktive photovoltaische (PV) Elemente; sie dienen lediglich in einer Anti-Reflektionsfunktion.
  • Silizium-Nanostrukturen umfassende Solarzellen, bei denen die Nanostrukturen aktive PV-Elemente sind, wurden in der am 16. März 2005 eingereichten parallel anhängigen US-Patentanmeldung 11/081,967 mit gleichem Begünstigten beschrieben. In dieser speziellen Anmeldung sind die ladungstrennenden Grenzschichten im Wesentlichen innerhalb der Nanostrukturen selbst enthalten, was im Allgemeinen Dotierungsänderungen während der Synthese derartiger Nanostrukturen erfordert.
  • Als ein Ergebnis des Vorstehenden kann das Einbauen von Zellen mit mehreren Grenzschichten über ein Gerüst mit Nanostrukturen zu Solarzellen mit Effizienzen führen, die mit den traditionelleren Elektrizitätsquellen auf gleicher Höhe stehen. Daher besteht ein fortgesetzter Bedarf, neue Ausgestaltungen für PV-Vorrichtungen zu erforschen. Dies ist für Vorrichtungen mit Nanostrukturen ganz besonders der Fall, die von verbessertem Lichteinfang und kürzeren Ladungstransportpfaden bei Lichtabsorption profitieren können.
  • Abriss der Erfindung
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst eine photovoltaische Vorrichtung mehrere an der Oberfläche eines Substrats angeordnete längliche Nanostrukturen und einen konform über den länglichen Nanostrukturen abgelagerten mehrschichtigen Film. Der mehrschichtige Film umfasst mehrere photoaktive Grenzschichten. Die Anordnung von über den länglichen Nanostrukturen aufgebauten photoaktiven Grenzschichten kann ein Mittel zum Einfangen eines breiten Lichtspektrums bieten. Die längliche Nanostruktur kann ein Mittel zum Erzeugen von mehrmaligen Lichtdurchgängen zum Optimieren von Lichtabsorption bieten.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Vorrichtung das Erzeugen mehrerer länglicher Nanostrukturen an einer Substratoberfläche und das konforme Ablagern eines mehrschichtigen Films. Der mehrschichtige Film umfasst mehrere photoaktive Grenzschichten.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst ein Solarkollektor mindestens eine photovoltaische Vorrichtung, wobei der Solarkollektor jede derartige Vorrichtung von ihrer umliegenden atmosphärischen Umgebung isoliert und die Erzeugung elektrischen Stroms erlaubt.
  • Das Vorstehende hat die Merkmale der vorliegenden Erfindung eher weit umrissen, so dass die folgende genaue Beschreibung der Erfindung besser verständlich ist. Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung, welche den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bilden, werden nachfolgend beschrieben.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun Bezug auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen, für die gilt:
  • 1 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht einer photovoltaischen Vorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine halbleitende Nanostruktur in einer Vorrichtung mit mehreren Grenzschichten mit zwei p-n Grenzschichten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt eine halbleitende Nanostruktur in einer Vorrichtung mit mehreren Grenzschichten mit drei p-n Grenzschichten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt eine leitende Nanostruktur in einer Vorrichtung mit mehreren Grenzschichten mit zwei p-n Grenzschichten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5 zeigt eine leitende Nanostruktur in einer Vorrichtung mit mehreren Grenzschichten mit zwei p-i-n Grenzschichten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Elemente des Substrats, auf denen die Nanostrukturen synthetisiert sind.
  • 7 zeigt die Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer photovoltaischen Vorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 8a–c zeigen auf einer Substratfläche gewachsene längliche Nanostrukturen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 9a–b zeigen einen um längliche Nanostrukturen abgelagerten mehrschichtigen Film in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Bei einigen Ausführungsformen zielt die vorliegende Erfindung auf photovoltaische (PV) Vorrichtungen ab, die längliche Nanostrukturen und einen auf den länglichen Nanostrukturen konform angeordneten mehrschichtigen Film umfassen können. Der mehrschichtige Film kann mehrere photoaktive Grenzschichten, wie etwa p-n und p-i-n Grenzschichten umfassen. Diese photoaktiven Grenzschichten können mit Tunnelgrenzschichten gestapelt sein, die jede Zelle in der Anordnung mit mehreren Grenzschichten trennen. Jede Zelle in der Anordnung mit mehreren Grenzschichten kann in Serie angeordnet sein und kann p-n Grenzschichten, p-i-n Grenzschichten und Kombinationen davon umfassen. Bei einigen Ausführungsformen können die länglichen Nanostrukturen Teil einer ersten photoaktiven Grenzschicht sein und geeignet als die p- oder n-Schicht dotiert sein. Bei alternativen Ausführungsformen können die länglichen Nanostrukturen leitend und somit nicht Teil einer photoaktiven Grenzschicht sein.
  • In der folgenden Beschreibung sind bestimmte Details angegeben, wie etwa bestimmte Mengen, Größen, usw. um ein vollständiges Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bieten. Jedoch wird es für Fachleute offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung ohne derartige bestimmte Details ausgeführt werden kann. In vielen Fällen wurden derartige Überlegungen und ähnliches betreffende Details weggelassen, insofern derartige Details nicht notwendig sind, um ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erreichen, und innerhalb der Fähigkeiten von Durchschnittsfachleuten des relevanten Gebiets liegen.
  • Allgemein ist mit Bezug auf die Zeichnungen zu verstehen, dass die Darstellungen den Zweck haben, eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung zu beschreiben und nicht dazu vorgesehen sind, die Erfindung darauf zu beschränken.
  • Obwohl die meisten der hierin verwendeten Ausdrücke für Fachleute erkennbar sind, werden trotzdem die folgenden Definitionen vorgenommen, um beim Verständnis der vorliegenden Erfindung zu helfen. Es sollte jedoch eingesehen werden, dass Ausdrücke dann, wenn sie nicht ausdrücklich definiert sind, so interpretiert werden sollten, dass sie eine derzeit durch Fachleute akzeptierte Bedeutung annehmen.
  • Eine „photovoltaische Vorrichtung" wie hierin definiert ist eine Vorrichtung, die mindestens eine Photodiode umfasst und welche den photovoltaischen Effekt ausnutzt, um eine elektromotorische Kraft (e.m.f – englisch: electromotive force) zu erzeugen. Siehe Penguin Dictionary of Electronics, Third Edition, Herausgeber: V. Illingworth, Penguin Books, London, 1998. Eine beispielhafte derartige Vorrichtung ist eine "Solarzelle" wobei eine Solarzelle eine Photodiode ist, deren Spektralantwort für Sonnenstrahlung optimiert wurde.
  • „Nanobereich" wie hierin definiert betrifft allgemein Größen von weniger als 1 μm.
  • „Nanostrukturen" wie hierin definiert beziehen sich allgemein auf Strukturen, die in mindestens zwei Dimensionen im Nanobereich liegen.
  • „Längliche Nanostrukturen" wie hierin definiert sind Nanostrukturen, die in mindestens zwei Dimensionen im Nanobereich liegen. Beispielhafte derartige längliche Na nostrukturen umfassen Nanodrähte, Nanostäbe, Nanoröhren und ähnliches, sind aber nicht darauf beschränkt.
  • „Nanodrähte" wie hierin definiert sind allgemein längliche Nanostrukturen, die typischerweise in mindestens zwei Dimensionen im Sub-Mikrometer Bereich (< 1 μm) liegen und eine größtenteils zylindrische Form haben. Häufig sind sie einzelne Kristalle.
  • „Konform" wie hierin definiert betrifft Abdeckungen, die größtenteils die Form der Strukturen annehmen, die sie abdecken (d. h. konform dazu sind). Dieser Ausdruck sollte jedoch weit ausgelegt werden, und das beträchtliche Auffüllen von Leerraum zwischen den abgedeckten Strukturen erlauben – zumindest in einigen Ausführungsformen. Eine einzelne konforme Schicht kann entlang verschiedener Bereiche der abgedeckten Struktur in der Stärke variieren.
  • „Halbleitendes Material" wie hierin definiert ist Material, das eine Leitfähigkeit hat, die allgemein zwischen Metallen und Isolatoren liegt, und wobei ein derartiges Material eine Energielücke oder „Bandlücke" zwischen seinen Valenz- und Leitungsbändern hat. In seinem reinen, undotierten Zustand wird derartiges halbleitendes Material typischerweise als „intrinsisch" bezeichnet.
  • „p-dotieren" wie hierin definiert betrifft das Dotieren halbleitenden Materials mit Unreinheiten, die Löcher einführen, die zum Erhöhen der Leitfähigkeit des intrinsischen halbleitenden Materials und zum Verschieben des Fermi-Niveaus zum Valenzband hin wirken, so dass eine Grenzschicht gebildet werden kann. Ein beispielhaftes derartiges p-Dotieren ist das Hinzufügen kleiner Mengen von Bor (B) zu Silizium (Si).
  • „n-dotieren" wie hierin definiert betrifft das Dotieren halbleitenden Materials mit Unreinheiten, die Elektronen einführen, die zum Erhöhen der Leitfähigkeit des intrinsischen halbleitenden Materials und zum Verschieben des Fermi-Niveaus zum Leitungsband hin wirken, so dass eine Grenzschicht gebildet werden kann. Ein beispielhaftes derartiges n-Dotieren ist das Hinzufügen kleiner Mengen von Phosphor (P) zu Silizium (Si).
  • Eine „ladungstrennende Grenzschicht" wie hierin definiert umfasst eine Grenze zwischen Materialen unterschiedlichen Typs (z. B. unterschiedlichen Dotiermaterialien und/oder unterschiedlicher Gesamtzusammensetzung), welche die Trennung von Elektronen und Löchern aufgrund des Vorhandenseins einer Potenzialschwelle und eines elektrischen Feldgradienten erlaubt.
  • Eine „Heterogrenzschicht" wie hierin definiert und photovoltaische Vorrichtungen betreffend ist eine ladungstrennende Grenzschicht, die über den Kontakt zweier unterschiedlicher Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken eingerichtet ist.
  • „Aktive PV-Elemente" wie hierin definiert sind diejenigen Elemente einer PV-Vorrichtung, die zum Einrichten einer ladungstrennenden Grenzschicht verantwortlich sind.
  • Eine „p-n photovoltaische Vorrichtung" wie hierin definiert ist eine Vorrichtung, die mindestens eine Photodiode umfasst, die eine über den Kontakt eines p-dotierten Halbleiters und eines n-dotierten Halbleiters eingerichtete ladungstrennende Grenzschicht umfasst.
  • Eine „p-i-n photovoltaische Vorrichtung" wie hierin definiert ist ein Stapel von drei Materialien, wobei eine Schicht vom p-dotierten Typ (hauptsächlich Lochleitung) ist, eine undotiert (d. h. intrinsisch) ist und die weitere vom n-dotierten Typ (hauptsächlich Elektronenleitung) ist.
  • „Mit mehreren Grenzschichten" wie hierin definiert ist eine Tandemanordnung gestapelter photoaktiver Grenzschichten, welche p-n und/oder p-i-n Grenzschichten umfassen kann. Jede photoaktive Grenzschicht kann von ihrer Nachbarzelle durch eine Tunnel-Grenzschicht getrennt sein.
  • „Solarzellen" wie hierin definiert ist im Wesentlichen eine photovoltaische Vorrichtung zur Energieumwandlung aus solarer Strahlung.
  • „Nanomatrizen" (englisch: "Nanotemplates") wie hierin definiert sind anorganische oder organische Filme, die eine Anordnung von Poren oder Säulen mit Dimensionen im Nanobereich umfassen. Die Poren verlaufen allgemein in einer im Wesentlichen rechtwinkligen Richtung relativ zu der Ebene des Films durch den Film.
  • Vorrichtungen
  • Bezugnehmend auf 1, zielt die vorliegende Erfindung bei einigen Ausführungsformen auf eine auf Nanostrukturen basierende photovoltaische Vorrichtung mit mehreren Grenzschichten ab, die umfassen kann:
    • (a) mehrere auf einem Substrat 102 angeordnete längliche Nanostrukturen 101. Die länglichen Nanostrukturen können beispielsweise kristalline Silizium-Nanodrähte umfassen und können bei einer Ausführungsform p-dotierte Halbleiter und bei einer anderen Ausführungsform n-dotierte Halbleiter sein. Alternativ können sie degenerativ dotiertes Silizium oder anderes metallisches Material sein, um als Leiter zu dienen; und
    • (b) einen mehrschichtigen Film 103, der konform um die länglichen Nanostrukturen angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform kann zumindest ein Teil des mehrschichtigen Films 103 die Elemente einer photoaktiven Grenzschicht bilden. Bei einigen Ausführungsformen können die photoaktiven Grenzschichten p-n Grenzschichten sein und bei anderen Ausführungsformen können sie p-i-n Grenzschichten sein. Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann zumindest ein Teil des mehrschichtigen Films 103 eine Tunnel-Grenzschicht umfassen.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist eine Schicht transparenten leitenden Materials (TCM – englisch: transparent conductive material) 104 über dem mehrschichtigen Film 103 abgelagert. TCM 104 kann im Wesentlichen die Räume zwischen den mehreren länglichen Nanostrukturen füllen. Darüber hinaus kann TCM 104 eine nominell flache Oberfläche über dem oberen Bereich der mehreren länglichen Nanostrukturen bilden. Darüber hinaus sind typischerweise obere 105 und untere Kontakte (nicht gezeigt) bereitgestellt, die zum Verbinden der Vorrichtung mit einer externen Schaltung wirksam sind, wobei die untere Elektrode typischerweise (aber nicht immer) in das Substrat (siehe unten) integriert ist.
  • Die länglichen Nanostrukturen 101 haben typischerweise eine Länge im Bereich von etwa 100 nm bis etwa 100 μm und eine Breite im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 1 μm. Bei einigen Ausführungsformen sind die Nanostrukturen in einer im Wesentlichen vertikalen Orientierung auf dem Substrat 102 angeordnet, d. h. im Bezug auf die Ebene des Substrats 102 bildet eine Mehrheit der Nanostrukturen 101 einen Winkel von größer als 45°. Bei anderen Ausführungsformen sind die Nanostrukturen 101 auf dem Substrat 102 in einer größtenteils zufälligen Art verteilt.
  • Die länglichen Nanostrukturen 101 können in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen aus jedem Material sein, das für eine photovoltaische Vorrichtung geeignet ist. Geeignete Halbleitermaterialien können Silizium (Si), Silizium-Germanium (SiGe), Germanium (Ge), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), GaInP, GaInAs, Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), Indiumnitrid (InN), Selen (Se), Cadmiumtellurid (CdTe), Cd-O-Te, Cd-Mn-O-Te, ZnTe, Zn-O-Te, Zn-Mn-O-Te, MnTe, Mn-O-Te, Kupferoxide, Kohlenstoff, Cu-In-Ga-Se, Cu-In-Se und Kombinationen davon umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Geeignete leitende Materialien umfassen degenerativ dotiertes Silizium, metallische Materialien wie etwa Aluminium (Al), Platin (Pt), Palladium (Pd), und Silber (Ag), Kohlenstoff-Nanoröhren und Kombinationen davon, sind aber nicht darauf beschränkt.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann eine bestimmte Schicht des mehrschichtigen Films 103 Zusammensetzungen umfassen, die p-dotierte und n-dotierte Halbleiter sind. Außerdem können nicht-dotierte Schichten eingebaut sein und diese können eine intrinsische Schicht und eine als eine Tunnel-Grenzschicht wirkende Schicht umfassen. Bei einer Ausführungsform kann der mehrschichtige Film 103 Zellen von gestapelten p-n Grenzschichten darstellen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der mehrschichtige Film 103 Zellen von gestapelten p-i-n Grenzschichten darstellen. Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann der mehrschichtige Film 103 eine Kombination von gestapelten p-n und p-i-n Grenzschichten darstellen. Bei einigen Ausführungsformen können die Zellen durch eine als Tunnel-Grenzschicht dienende Schicht getrennt sein (siehe unten).
  • Die Beschaffenheit von Teilen des mehrschichtigen Films 103, welche die photoaktiven Grenzschichten darstellen, kann zum Beispiel amorphes Silizium (a-Si), amorphes Silizium-Germanium (a-SiGe), nanokristallines Silizium (nc-Si) und amorphes Siliziumkarbid (a-SiC) sein. Bei einer Ausführungsform können derartige Materialien in Schichten größer werdender Bandlückenenergie um eine längliche Nanostruktur 101 angeordnet sein.
  • Typischerweise haben die mehrschichtigen Filme 103 eine Stärke im Bereich von 5 Å bis 50.000 Å. Die Stärke einer einzelnen Schicht innerhalb des mehrschichtigen Films 103 kann schwer zu bestimmen sein, die Stärke kann jedoch angepasst sein, um eine Stromangleichung zwischen Grenzschichten verschiedener Bandlückenenergien zu optimieren. Das heißt, die Stärke einer gegebenen Schicht kann so gewählt sein, dass die in jeder einzelnen Zelle (d. h. jeder photoaktiven Grenzschicht) erzeugten Photoströme im Wesentlichen equivalent sind.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann eine bestimmte Schicht des mehrschichtigen Films 103 eine Tunnel-Grenzschicht umfassen. In einem solchen Fall kann die Materialbeschaffenheit ein Metalloxid, zum Beispiel Zinkoxid, oder eine hochdotierte amorphe Si-Schicht sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen können die länglichen Nanostrukturen n-dotierte Halbleiter sein, obwohl sie auch p-dotiert sein können. Um eine photoaktive Grenzschicht innerhalb der Vorrichtung zu erzeugen, sollte die Dotierung der Nanostrukturen jedoch der der benachbarten Schicht in dem mehrschichtigen Film entgegengesetzt sein. 2 zeigt eine auf dem Substrat 202 angebrachte einfache Vorrichtung mit mehreren p-n Grenzschichten 200 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung. Bezugnehmend auf 2 kann die längliche Nanostruktur 201 beispielsweise ein n-dotierter Halbleiter sein und als das erste Element einer ersten p-n Grenzschicht (einer ersten Zelle) integriert sein, die eine erste p-dotierte Schicht 210 umfasst. Eine zweite p-n Grenzschicht kann eine n-dotierte Schicht 220 und eine p-dotierte Schicht 230 umfassen, die durch eine Tunnel-Grenzschicht 240 abgetrennt ist. Jede der Schichten des mehrschichtigen Films 203 kann aufeinanderfolgend und konform um die längliche Nanostruktur 201 abgelagert sein. Ein Fachmann wird den Vorteil darin erkennen, die Bandlücke zwischen den zwei p-n Grenzschichten zu variieren, um Licht verschiedener Wellenlänge einzufangen.
  • Bezugnehmend auf 3 kann man in einer anderen Ausführungsform zusätzliche Schichten zu dem um die längliche Nanostruktur 301 abgelagerten mehrschichtigen Film 303 (vergleiche 203, 2) hinzufügen, um einen neuen mehrschichtigen Film 308 zu erzeugen. Die zusätzlichen Schichten können eine weitere Tunnel-Grenzschicht 340 umfassen. Darüber hinaus kann eine dritte p-n Grenzschicht mit einer p-dotierten Schicht 350 und einer n-dotierten Schicht 360 vorhanden sein. Im Prinzip kann jede beliebige Zahl von Schichten hinzugefügt sein, um jegliche Anzahl von p-n Grenzschichten mit dazwischen liegenden Tunnel-Grenzschichten zu erzeugen. Die Anzahl derartiger gestapelter photoaktiver Grenzschichten kann von der Stärke abhängen, die jede Schicht relativ zu dem Abstand zwischen jeder der auf dem Substrat 302 abgelagerten benachbarten länglichen Nanostruktur 301 und durch die Fähigkeit, Stromangleichung sicherzustellen, einführt. Daher kann jede photoaktive Grenzschicht (d. h. Zelle) Komponentenschichten mit einer Stärke aufweisen, die von den Bandlückenenergien der Materialien abhängt, um im Wesentlichen equivalente Photoströme zwischen jeder Zelle sicherzustellen.
  • Ferner stellt 3 eine Vorrichtung mit mehreren Grenzschichten mit dotiertem kristallinen Silizium (c-Si) als die Basiszelle in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die untere Zelle kann einen halbleitenden dotierten Nanodraht 301 und die erste konform abgelagerte Schicht (vergleiche 2, 210) um den Draht mit entgegengesetzter Dotierung umfassen. Die äußerste (oberste Zelle), welche die Schichten 350 und 360 umfasst, kann im Wesentlichen aus amorphen Silizium sein. Schließlich kann die mittlere Zelle (vergleiche 2, 220/230) aus einem Material mit einer mittleren Bandlückenenergie sein, wie etwa amorphem Silizium-Germanium (a-SiGe). In einer weiteren Ausführungsform können die von Unten nach Oben gestapelten Zellen jeweils aus c-Si, a-SiGe und amorphen Siliziumkarbid (a-SiC) sein.
  • Wie in 4 gezeigt, kann die längliche Nanostruktur 401 der Vorrichtung 400 ein Leiter und nicht Teil der gestapelten Struktur mit mehreren Grenzschichten sein. Bei dieser Ausführungsform kann die längliche Nanostruktur 401 als eine auf dem Substrat 402 angeordnete Elektrode dienen. Der mehrschichtige Film 403 kann eine erste p-n Grenzschicht (mit einer ersten p-dotierten Schicht 410 und einer ersten n-dotierten Schicht 420), eine zweite p-n Grenzschicht (mit einer zweiten p-dotierten Schicht 430 und einer zweiten n-dotierten Schicht 440) und eine Tunnel-Grenzschicht 450 zwischen der ersten p-n Grenzschicht und der zweiten p-n Grenzschicht umfassen. Obwohl diese Ausführungsform die Vorrichtung 400 mit zwei p-n Grenzschichten beschreibt, wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass drei p-n Grenzschichten (mit dazwischenliegenden geeigneten Tunnel-Grenzschichten) um die längliche Nanostruktur 401 gestapelt sein können. In zusätzlichen Ausführungsformen kann jede Anzahl von p-n Grenzschichten gestapelt sein. Wiederum können räumliche Beschränkungen und Stromangleichung begrenzende Faktoren beim Bestimmen der genauen Anzahl von p-n Grenzschichten sein, die eingebaut werden kann.
  • Für Darstellungszwecke können in Übereinstimmung mit Ausführungsformen, in denen die längliche Nanostruktur 401 leitend ist, die folgenden Ausgestaltungen von Materialien in einer Vorrichtung mit drei Zellen (wobei jede Zelle eine photoaktive Grenzschicht umfasst) verwendet werden. Die unterste Zelle (vergleiche 4), welche 410 und 420 umfasst, kann aus a-SiGe sein. Die mittlere Zelle, welche 430 und 440 umfasst, kann aus a-SiGe mit einem unterschiedlichen Verhältnis von Si:Ge sein, um eine mittlere Bandlückenenergie zu erhalten. Schließlich kann eine konform um die mittlere Zelle angeordnete obere Zelle (nicht gezeigt) aus a-Si sein. Eine weitere Ausgestaltung von drei Materialien, von der unteren Zelle bis zur oberen Zelle ausgedrückt, kann beispielsweise nanokristallines Silizium (nc-Si), eine a-Si Schicht (mittlere Bandlückenenergie durch unterschiedlichen Wasserstoffanteil) und a-Si umfassen. Bei noch einer weiteren Ausgestaltung kann die untere Zelle aus nc-Si sein, die mittlere Zelle aus a-SiGe, und die obere Zelle aus a-Si. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass jeder Satz von drei Materialien, die sich zum geeigneten Dotieren eignen, um photoaktive Grenzschichten zu bilden, gestapelte Zellen formen kann. Zum Beispiel kann jede der oben beschriebenen oberen Zellen a-SiC statt a-Si als das Hauptmaterial aufweisen.
  • Wie zuvor dargestellt können die Vorrichtungen gestapelte p-n Grenzschichten aufweisen. Wie in 5 gezeigt können die Vorrichtungen stattdessen leitende längliche Nanostrukturen 501 auf einem Substrat 502 umfassen, die als ein Gerüst dienen, um ebenfalls gestapelte p-i-n Grenzschichten konform abzulagern. Eine Vorrichtung 500 kann einen mehrschichtigen Film 503 umfassen, der zwei gestapelte p-n Grenzschichten definiert. Die erste derartige Grenzschicht umfasst eine erste n-dotierte Schicht 510, eine erste intrinsische Schicht 525 und eine erste p-dotierte Schicht 520. Ähnlich umfasst die zweite Grenzschicht eine zweite n-dotierte Schicht 530, eine zweite intrinsische Schicht 535 und eine zweite p-dotierte Schicht 540. Die ersten und zweiten p-i-n Grenzschichten sind durch Tunnel-Grenzschichten 550 getrennt. Obwohl die Vorrichtung 500 eine Vorrichtung mit zwei gestapelten p-i-n Grenzschichten zeigt, wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass jegliche Anzahl von p-i-n Grenzschichten um die längliche Nanostruktur 501 innerhalb der oben genannten Beschränkungen gestapelt sein kann.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfassen die oben genannten Vorrichtungen eine auf dem Substrat liegende oder damit integrale nanoporöse Matrize, aus der die länglichen halbleitenden Nanostrukturen hervorgehen. Dies ist häufig der Fall, wenn derartige Nanostrukturen in der Matrize wachsen gelassen werden. Bezugnehmend auf 6 kann in einigen Ausführungsformen das geschichtete Substrat 102 eine nanoporöse Matrize 102c und/oder eine leitende Schicht 102b umfassen, die auf einem Substratträger 102a liegt.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst die poröse Nanomatrize 102c ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus eloxiertem Aluminiumoxid (AAO, englisch: anodized aluminium Oxide), Siliziumdioxid (SiO2), Bornitrid (BN), Siliziumnitrid (Si3N4), und ähnlichem besteht. Bei einigen Ausführungsformen kann die poröse Nanomatrize 102c eine Stärke (oder eine durchschnittliche Stärke) von zwischen etwa 0,1 μm und etwa 100 μm haben, wobei die poröse Nanomatrize einen Porendurchmesser (oder einen durchschnittlichen Durchmesser) von zwischen etwa 1 nm und etwa 1 μm haben kann und wobei die poröse Nanomatrize eine Porendichte zwischen etwa 105 pro cm2 und etwa 1012 pro cm2 haben kann.
  • Bei Vorrichtungsausführungsformen, die eine Schicht transparenten leitenden Materials verwendet, kann das transparente leitende Material ein transparentes leitendes Oxid (TCO – englisch: transparent conductive Oxide) sein. Bei einigen derartiger Ausführungsformen ist das transparente leitende Oxid Indium-Zinn-Oxid (ITO – englisch: indium-tin-Oxide). Bei einigen anderen derartiger Ausführungsformen ist das transparente leitende Oxid dotiertes ZnO. Typischerweise hat das transparente leitende Material eine Stärke zwischen etwa 0,05 μm und etwa 1 μm.
  • Bei einigen Ausführungsformen bietet das Substrat einen unteren Kontakt. Bei einigen Ausführungsformen bietet die Schicht transparenten leitenden Materials einen oberen Kontakt. Abhängig von der vorgesehenen Verwendung kann die Vorrichtung für eine Beleuchtung von oben und/oder von unten ausgelegt sein.
  • Vorrichtungsherstellung
  • Bei einigen Ausführungsformen zielt die vorliegende Erfindung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf ein Verfahren 700 in 7 zum Herstellen der oben beschriebenen auf Nanostrukturen basierenden photovoltaischen Vorrichtungen mit mehreren Grenzschichten ab. Bezugnehmend auf 7 in Verbindung mit 2 bis 5 werden in Schritt 701 mehrere längliche Nanostrukturen auf einem Substrat bereitgestellt. Die länglichen Nanostrukturen sind bei einigen Ausführungsformen aus einem Halbleiter (2–3) und bei anderen Ausführungsformen aus einem Leiter (4–5); (Schritt 702) ein mehrschichtiger Film wird auf den länglichen Nanostrukturen konform abgelagert, wobei bei einigen Ausführungsformen die Materialien jeder Schicht eine geeignete Dotierung aufweisen. Bei anderen Ausführungsformen können sie außerdem intrinsisch sein oder als eine Tunnel-Grenzschicht dienen; (Schritt 703) ein leitendes transparentes Material wird als eine Schicht auf dem Mehrschichten-Film abgelagert; und (Schritt 704) obere und untere Kontakte werden eingerichtet, die zur Verbindung der Vorrichtung mit einer externen Schaltung wirksam sein können. Der obere Kontakt kann auf dem TCM angeordnet sein und der untere Kontakt kann an einer Oberfläche des Substrats gegenüber den länglichen Nanostrukturen angeordnet sein oder in dem Substrat integriert sein.
  • Bei einigen derartiger oben beschriebener Verfahrensausführungsformen werden die länglichen Nanostrukturen bereitgestellt, indem sie über ein Verfahren wachsen gelassen werden, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus chemischer Gasphasenabscheidung (CVD – englisch: chemical vapor deposition), metall-organischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD – englisch: metal-organic chemical vapor deposition), plasmagestützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD – englisch: plasma-enhanced chemical vapor deposition), chemischer Gasphasenabscheidung mit Heißdraht (HWCVD – englisch: hot wire chemical vapor deposition), Atomlagenabscheidung, elektrochemischer Abscheidung, chemischer Lösungsabscheidung und Kombinationen davon besteht. Bei einigen derartiger Ausführungsformen werden die länglichen Nanostrukturen durch katalytisches Wachsenlassen von Metall-Nanoteilchen bereitgestellt, wobei die Metall-Nanoteilchen in einer nanoporösen Matrize vorliegen können, und wobei die Metall-Nanoteilchen ein Metall aus der Gruppe umfassen können, die aus Gold (Au), Indium (In), Gallium (Ga) und Eisen (Fe) besteht.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird eine nanoporöse Matrize verwendet, um längliche Nanostrukturen wachsen zu lassen, wie in der am 27. Mai 2005 eingereichten US-Patentanmeldung 11/141,613 mit gleichem Begünstigten beschrieben ist.
  • Bei einigen derartiger oben beschriebener Verfahrensausführungsformen wird der Schritt des konformen Ablagerns des mehrschichtigen Films unter Verwenden einer Technik ausgeführt, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, sputtern und Kombinationen davon besteht.
  • Solarkollektoren
  • Bei einigen Ausführungsformen zielt die vorliegende Erfindung auf einen Solarkollektor ab, der mindestens eine auf Nanostrukturen basierende photovoltaische Vorrichtung mit mehreren Grenzschichten wie hierin offenbart umfassen kann. Der Solarkollektor isoliert jede der Vorrichtungen von ihrer umliegenden atmosphärischen Umgebung und erlaubt die Erzeugung elektrischen Stroms.
  • Schließlich bieten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung photovoltaische Vorrichtungen mit Nanostrukturen und mehreren Grenzschichten, die hohe Effizienzen zeigen können und resistent gegen lichtinduzierte Leistungsverschlechterung sein können. Die in Übereinstimmung mit den hierin offenbarten Ausführungsformen gebaute PV-Zelle kann die Lichtabsorption optimieren und die Rekombination an Heterogrenzschichtenberührungsstellen minimieren. Andere Vorteile können niedrige Kosten und einfache Herstellung umfassen, insbesondere bei Ausführungsformen, die eine hauptsächlich siliziumbasierte Zelle umfassen. Ausführungsformen, bei denen die länglichen Nanostrukturen leitend sind, können Zellen aufweisen, die ein leichteres Stromangleichen ermöglichen.
  • Beispiele
  • Die folgenden Beispiele sind eingefügt, um spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren. Es sollte für Fachleute verständlich sein, dass die in den folgenden Beispielen offenbarten Verfahren lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen. Fachleute sollten jedoch im Lichte der vorliegenden Erfindung einsehen, dass viele Veränderungen bei den beschriebenen speziellen Ausführungsformen vorgenommen werden können und immer noch ein gleiches oder ähnliches Ergebnis erreicht werden kann, ohne von dem Geist und Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Beispiel 1:
  • Das folgende experimentelle Beispiel ist mit eingefügt, um Ausführungsformen für das Wachstum von Nanodrähten wie hierin offenbart zu demonstrieren. Sie sind dazu vorgesehen, beispielhaft für die vorliegende Erfindung und somit nicht beschränkend zu sein. 8a zeigt das Wachstum von langen Silizium-Nanodrähten mit hoher Dichte mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 57 nm. 8b zeigt kürzere Silizium-Nanodrähte mit niedriger Dichte mit einem Durchschnittsdurchmesser von 182 nm. Schließlich zeigt 8c eine zufällige Anordnung von Silizium-Nanodrähten mit einem Durchschnittsdurchmesser von 70 nm.
  • Beispiel 2:
  • Das folgende experimentelle Beispiel ist mit eingefügt, um Ausführungsformen für die konforme Ablagerung von Schichten um Nanodrähte wie hierin offenbart zu demonstrieren. Sie sind dazu vorgesehen, beispielhaft für die vorliegende Erfindung und somit nicht beschränkend zu sein. 9a zeigt Drähte mit hoher Dichte mit konform abgelagertem a-Si auf langen Silizium-Nanodrähten mit hoher Dichte. 9b zeigt eine Querschnittsansicht von konform abgelagertem a-Si auf einem c-Si Nanodraht 900. Die a-Si Schicht wurde durch CVD eingefügt. Die erste a-Si Schicht 910 ist eine intrinsische und die zweite Schicht 920 ist n-dotiert.
  • Es ist einzusehen, dass bestimmte der oben beschriebenen Strukturen, Funktionen und Vorgänge der oben beschriebenen Ausführungsformen nicht notwendig sind, um die vorliegende Erfindung auszuführen und nur zur Vervollständigung einer beispielhaften Ausführungsform oder Ausführungsformen in die Beschreibung aufgenommen sind. Darüber hinaus ist einzusehen, dass in den oben beschriebenen Patenten und Veröffentlichungen, auf die Bezug genommen wurde, ausgeführte spezielle Strukturen, Funktionen und Vorgängen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können, aber nicht wesentlich für ihre Ausführung sind. Es ist daher zu verstehen, dass die Erfindung anders als speziell beschrieben ausgeführt werden kann, ohne tatsächlich von dem Geist und dem Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5252142 [0006]
    • - US 11/081967 [0010]
    • - US 11/141613 [0067]
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Claims (22)

  1. Photovoltaische Vorrichtung mit: einem Substrat; mehreren auf einer Oberfläche des Substrats der photovoltaischen Vorrichtung angeordneten länglichen Nanostrukturen; und einem konform über die mehreren länglichen Nanostrukturen abgelagerten mehrschichtigen Film, der mehrere photoaktive Grenzschichten bildet.
  2. Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der mehrschichtige Film ein oder mehrere des Folgenden umfasst: ein Metalloxid, amorphes Silizium, amorphes Silizium-Germanium (SiGe), nanokristallines Silizium, und amorphes Siliziumkarbid (SiC).
  3. Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren länglichen Nanostrukturen Silizium-Nanodrähte umfassen.
  4. Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Schicht des mehrschichtigen Films eine relative Stärke im Bereich von 5 Å bis 50.000 Å aufweist.
  5. Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die relative Stärke zur Stromangleichung ausgewählt ist.
  6. Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren photoaktiven Grenzschichten mindestens eine p-n Grenzschicht umfassen.
  7. Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren photoaktiven Grenzschichten mindestens eine p-i-n Grenzschicht umfassen.
  8. Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der mehrschichtige Film ferner mindestens eine Tunnel-Grenzschicht umfasst.
  9. Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren länglichen Nanostrukturen in einer ersten photoaktiven Grenzschicht integriert sind.
  10. Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren länglichen Nanostrukturen Leiter sind.
  11. Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit: einem derart konform über dem mehrschichtigen Film angeordneten transparenten leitenden Material (TCM), dass das TCM Räume zwischen jeder der mehreren länglichen Nanostrukturen ausfüllt wie auch über den mehreren länglichen Nanostrukturen eine flache Oberfläche bietet.
  12. Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 11, ferner mit: einem oberen und einem unteren Kontakt, die zum Verbinden der photovoltaischen Vorrichtung mit einer externen Schaltung wirksam sind; wobei der obere Kontakt auf dem TCM angeordnet ist und der untere Kontakt auf einer Fläche des Substrats angeordnet ist, die den länglichen Nanostrukturen gegenüberliegt, oder in dem Substrat integriert ist.
  13. Verfahren zum. Herstellen einer photovoltaischen Vorrichtung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erzeugen mehrerer länglicher Nanostrukturen auf einer Substratoberfläche; und konformes Ablagern eines mehrschichtigen Films über die mehreren länglichen Nanostrukturen, wodurch mehrere photoaktive Grenzschichten gebildet werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine oder mehrere der gebildeten mehreren photoaktiven Grenzschichten eine oder mehrere der Folgenden umfasst: eine p-n Grenzschicht, eine p-i-n-Grenzschicht und eine Tunnel-Grenzschicht.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend den Schritt: konformes Ablagern leitenden transparenten Materials über dem mehrschichtigen Film derart, dass das TCM Räume zwischen jeder der mehreren länglichen Nanostrukturen ausfüllt wie auch eine flache Fläche über den mehreren länglichen Nanostrukturen bietet.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend den Schritt: Einrichten von oberen und unteren Kontakten, die zum Verbinden der photovoltaischen Vorrichtung mit einer externen Schaltung wirksam sind.
  17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die länglichen Nanostrukturen bereitgestellt werden, indem sie über ein Verfahren wachsen gelassen werden, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, Atomlagenablagerung, elektrochemischer Ablagerung, chemischer Lösungsablagerung und Kombinationen davon besteht.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die länglichen Nanostrukturen bereitgestellt werden, indem sie von Metall-Nanoteilchen katalytisch wachsen gelassen werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Metall-Nanoteilchen in einer nanopörsen Matrize angeordnet sind.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Metall-Nanoteilchen ein Metall umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold (Au), Indium (In), Gallium (Ga) und Eisen (Fe) besteht.
  21. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des konformen Ablagerns des mehrschichtigen Films unter Verwenden einer Technik ausgeführt wird, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, Sputtern und Kombinationen davon besteht.
  22. Ein Solarkollektor, der mindestens eine photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1 umfasst, wobei der Solarkollektor derartige Vorrichtungen von seiner umliegenden atmosphärischen Umgebung isoliert und die Erzeugung elektrischen Stroms erlaubt.
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