本申请要求2006年5月15日以Howard W.H.Lee的名字提交的共同拥有的美国临时专利申请号60/800,801的优先权,用于所有目的,其结合于此作为参考。
具体实施方式
根据本发明的实施方式,提供了光生伏打材料相关的技术。更具体而言,本发明提供了一种采用薄膜方法生产包含IV族材料(如硅,锗,硅-锗合金)、金属氧化物和金属硫化物的光生伏打材料的方法和结构。仅仅以举例的方式,本方法和结构采用纳米结构化形态学进行实施,但是应该理解到,本发明可以具有其他形态。本发明实施方式的更详细的细节能够在整个说明书和以下更具体的内容中发现。
图1是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打器件纳米结构化材料的简图100。该图仅仅是一个实例,不应该不适当地限制此处权利要求的范围。普通的技术员将会认知其他的变体、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件是由例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料组成的纳米复合物的纳米结构化材料制成的。在一个具体实施方式中,本发明器件包括衬底组件101。该衬底组件包括一个覆盖表面区域。在一个具体实施方式中,该衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些的任何组合等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质和/或复合和/或分层材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体,如硅、硅-锗合金、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底组件表面区域的电极结构。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光材料或光反射材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖电极组件表面区域的第一纳米结构化材料105。在一个优选的实施方式中,第一纳米结构化材料物理地电耦合连接于电极组件表面区域。根据一个具体实施方式,本发明器件也包括覆盖第一纳米结构化材料的第二纳米结构化材料107。在一个具体实施方式中,第一和第二纳米结构化材料形成了混合区域,这在整个说明书和以下更具体的内容中进行了描述。根据一个具体实施方式,第二纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同,第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,每一纳米结构化材料由合适的复合物、均质材料或异质材料,包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体实施方式中,第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施方式不同,半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中,这些纳米结构化材料中要么一种要么两种都能够由金属氧化物物质制成。作为一个实例,对于第一纳米结构化材料的金属氧化物能够是CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,这些的组合等。在可替代的实施方式中,第一纳米结构化材料能够是金属硫化物物质。仅仅作为一个实例,金属硫化物物质能够包括FeS2,SnS,Cu2S,及其组合等。在还有的一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质组成的半导体材料。其中一个实例是金属硅化物如FeSi2等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,第二纳米结构化材料由金属氧化物如ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3组成。在一个可替代的实施方式中,第二纳米结构化材料可以含有金属硫化物如SnS2,ZnS。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料能够选自Si,Ge,ZnO,TiO2,SnO2,WO3,CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,Fe3O4,Cu2S,FeS,包括组合等。在其他普通实施方式中,第一纳米结构化材料选自金属硫化物,如Cu2S,FeS,FeS2或SnS。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,纳米结构化材料能够具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例,第一纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料由选自Si,Ge,SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料由选自ZnO,FeO,Fe2O3,CuO,Cu2O的纳米柱组成。在某些实施方式中,第一纳米结构化材料由选自FeS2,SnS,Cu2S或其他的纳米结构化金属硫化物组成。另外,第一纳米结构化材料可以由含有IV族半导体物质如FeSi2等的半导体材料组成。在还有的其他实施方式中,第一纳米结构化材料由选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料和金属氧化物的纳米管组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料由TiO2组成的纳米管组成。在其他可替代实施方式中,第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,而第二纳米结构化材料由金属氧化物组成的纳米柱组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,第一纳米结构化材料选自Si,Ge,SiGe合金,而第二纳米结构化材料由ZnO构成的纳米柱组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米管组成。根据一个具体实施方式,第一纳米结构化材料选自Si,Ge,SiGe合金,而第二纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。另外,第一纳米结构化材料选自Si,Ge,SiGe合金,而第二纳米结构化材料由纳米结构化的金属硫化物如SnS2,ZnS组成。在一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料由无机半导体组成,而第二纳米结构化材料由有机半导体组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件也具有一个混合区域111,其可以包括第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间提供的第一和第二纳米结构化材料。根据实施方式不同,混合区域能够具有某些空间几何形状。作为一个实例,混合区域的厚度为约1nm至约5000nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约5000nm。在一个可替代实施方式中,混合区域的厚度为约1nm至约1000nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约1000nm。还有,混合区域的厚度为约1nm至约500nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约500nm。另外,混合区域的厚度为约1nm至约100nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约100nm。在其他实施方式中,混合区域的厚度为约1nm至约50nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约50nm。可替代地,混合区域的厚度为约1nm至约50nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约10nm。在其他实施方式中,混合区域的厚度为约1nm至约50nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约5nm。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,混合区域具有包括第一和第二纳米结构化材料的界面区域。根据一个具体实施方式,也就是说,界面区域基本上物理地电接触第一和第二纳米结构化材料,如所示。在一个优选的实施方式中,界面区域能够是包括第一和第二纳米结构化材料的整合结构。另外,根据一个可替代的实施方式,界面区域能够是两个相互接触的分开结构。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
参照图1A,举例说明了根据本发明一个实施方式的图1光生伏打器件的混合区域。该图仅仅是一个实例,其不应该不合适地限制此处权利要求的范围。本领域的普通技术员会认知许多变体、替代和修改。如所示,混合区域150包括来自第一和第二纳米结构化材料每一种的纳米结构化材料。在一具体的实施方式中,混合区域实际上包括来自每一种纳米结构化材料的混合纳米结构。另外,根据一个具体实施方式,混合区域能够包括分开每一种纳米结构化材料的界面区域。也就是说,根据一个具体实施方式,混合区域能够包括每一纳米结构化材料的一个或多个部分和/或每一纳米结构化材料的全部。当然,本领域的普通技术员会认知许多变体、修改和替代。另外,此处描述的界面区域可以在此处描述的一个或多个或所有的实施方式中和整个本申请说明书中实现。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件也具有特征化第一纳米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方式,特征化第二纳米结构化材料的第二电子亲和势和第二电离势。在一个优选的实施方式中,第一电子亲和势小于第二电子亲和势,而第一电离势小于第二电离势,同时根据一个优选实施方式第二电子亲和势小于第一电离势。在一个优选的实施方式中,材料也具有特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种且对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件具有特征化每种纳米结构化材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少100eV。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少300eV。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少500eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料以能带隙为特征。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料也具有载流子迁移率。根据一个具体实施方式,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。在其他实施方式中,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
如所示,根据一个具体实施方式,本发明光生伏打器件具有通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子,在第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输,而正电荷载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中,电荷载流子经历第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中的绝大部分载流子传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖第二纳米结构化材料表面区域的电极结构109。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光材料或光反射材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),以及分层结构等。另外,电极层能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。制作本发明器件的方式的更详细的细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
根据本发明一个实施方式用于形成本发明光生伏打器件的纳米复合物纳米结构化材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃);
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波);
3.形成覆盖表面区域的电极层;
4.形成覆盖电极层的第一纳米结构化材料(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料);
5.形成覆盖第一纳米结构化材料以使第一纳米结构化材料与第二纳米结构化材料相互混合的第二纳米结构化材料(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料);
6.促使在第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间提供的混合区域的形成;
7.至少处理该混合区域,以提供第一纳米结构化材料处于第一电子亲和势和第一电离势;
8.至少处理该混合区域,以提供第二纳米结构化材料处于第二电子亲和势和第二电离势(步骤7和8可以同时的和/或重叠的,取决于具体的实施方式);
9.形成覆盖第二纳米结构化材料的电极结构。
10.按照需要,实施其他步骤;和
11.提供包括混合区域的光生伏打器件,以至于第一电子亲和势小于第二电子亲和势而第一电离势小于第二电离势且特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所示,该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应用的纳米复合物纳米结构化材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细的细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图2至图6是举例说明根据本发明一个实施方式制造本发明光生伏打器件纳米结构化材料的方法的简图。该图仅仅是一个实例,不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。如所示,本发明方法以提供衬底组件200开始。衬底组件包括覆盖的表面区域201。在一个具体的实施方式中,衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些任意组合,复合物和分层的材料等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质的和/或复合的和/或分层的材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金、有机材料或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体材料,如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
再参照图2,本方法包括一个清洗过程,采用一种或多种合适的技术清洗表面区域。在一个具体实施方式中,清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括,除了别的以外,RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。清洗过程也能包括用超清洁水如去离子水和/或基本无微粒水。在其他实施方式中,清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗,表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质,包括这些的组合。当然,本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
现在参照图3,本发明方法包括形成覆盖表面区域的电极层301。在一些实施方式中,电极层可以通过传统沉积方法如溅射法、蒸发沉积法和溶液沉积法形成。如所示,电极层覆盖了衬底组件的表面区域。在一个具体实施方式中,电极层能够用合适的材料或材料组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、镍、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低(或较高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
可选地,本发明方法可以包括在电极层形成之后的一个清洗过程。在一个具体实施方式中,清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括,除了别的以外,RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。该清洗过程也能包括超清洁水如去离子水和/或基本无粒子的水。在其他实施方式中,清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗,表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质的,包括这些的组合。在一个优选的实施方式中,本发明方法在电极层发生任何污染之前实施随后的沉积过程。当然,本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明方法形成覆盖电极层的第一纳米结构化材料401。在一个具体实施方式中,第一纳米结构化材料处于电极层之上与之实现物理的电接触。现在参照图5,本发明方法形成覆盖第一纳米结构化材料以至于与第二纳米结构化材料相混合的第二纳米结构化材料501(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料等)。
在一个具体实施方式中,纳米结构化材料能够具有一定几何形状和/或尺寸。该材料能够包括,除别的之外,纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料,包括这些的组合等。在一个具体实施方式中,本发明方法能够形成某些类别中的纳米结构化材料如纳米孔、纳米柱、纳米管、纳米粒子、这些的任意组合等。形成这些纳米结构化材料的方法的更详细的细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
再参照附图5,本发明方法形成提供于第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间的混合区域503。在一个具体实施方式中,混合区域经过处理以提供第一纳米结构化材料处于第一电子亲和势和第一电离势而第二纳米结构化材料处于第二电子亲和势和第二电离势。根据实施方式不同,本发明方法能够分开或同时对这些两种纳米结构化材料进行处理,而使第一电子亲和势低于第二电子亲和势,以提供包括混合区域的本发明光生伏打器件。在一个优选实施方式中,第一电离势低于第二电离势。在一个优选实施方式中,第二电子亲和势低于第一电离势。另外,根据一个优选的实施方式,本发明光生伏打器件具有特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种且对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。
参照图6,本发明方法形成覆盖第二纳米结构化材料的电极层601。如所示,电极结构覆盖了第二纳米结构化材料的表面区域。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低(或较高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合等,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。根据实施方式不同,也能够实施其它步骤。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所示,该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应用的纳米复合物纳米结构化材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据可替代的实施方式的本发明方法和结构的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图7是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打器件可替代的纳米结构化材料700的简图。该图仅仅是一个实例,不应该不适当地限制此处权利要求的范围。普通的技术员将会认知其他的变体、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件是由例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料的纳米结构化材料制成的。在一个具体实施方式中,本发明器件包括衬底组件701。该衬底组件包括一个覆盖表面区域。在一个具体实施方式中,该衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些的任何组合等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质和/或复合和/或分层材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体,如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底组件表面区域的电极结构703。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低(较高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合等,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中,本发明光生伏打器件具有覆盖的电子传输/空穴闭锁材料705。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示,电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极703,该电极优选是透明的。另外,根据一个具体实施方式,衬底也是光学透明的。另外,根据一个具体实施方式,电极和衬底组件不是透明的,也可以包括反射材料,其容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。仅仅作为一个实例,电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体,或任何其他合适的材料,包括材料的组合,分层材料等。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物,包括但不限于ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3,其他金属氧化物等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖电子传输/空穴闭锁材料705(也参见参考数字750)的第一纳米结构化材料751,其扩展了混合区域709。在一个优选的实施方式中,第一纳米结构化材料电耦合于电极组件的表面区域。根据一个具体实施方式,本发明光生伏打器件也包括覆盖第一纳米结构化材料的第二纳米结构化材料753。在一个具体实施方式中,第一和第二纳米结构化材料形成混合区域,这在整个说明书和一下更具体的内容中已经描述。根据一个具体实施方式,第二纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同,第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,每一纳米结构化材料由合适的复合物、均质材料或异质材料,包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体实施方式中,第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施方式不同,半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中,这些纳米结构化材料中要么一种要么两种都能够由金属氧化物物质制成。作为一个实例,对于第一纳米结构化材料的金属氧化物能够是CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,这些的组合等。可替代地,第一纳米结构化材料能够由金属硫化物物质制成。例如,金属硫化物物质能够是FeS2,Cu2S,SnS,这些的组合等。在一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质组成的半导体材料,例如,FeSi2。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,第二纳米结构化材料由金属氧化物如ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3组成。在一个可替代的实施方式中,第二纳米结构化材料可以含有金属硫化物如SnS2,ZnS。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料能够选自Si,Ge,ZnO,TiO2,SnO2,WO3,CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,Fe3O4,Cu2S,FeS,包括组合等。在其他普通实施方式中,第一纳米结构化材料选自金属硫化物,如Cu2S,FeS,FeS2,SnS。在某些实施方式中,第一纳米结构化材料能够是包括IV族半导体物质例如FeSi2的半导体。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,纳米结构化材料能够具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例,第一纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料由选自Si,Ge,SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料由选自ZnO,FeO,Fe2O3,CuO,Cu2O的纳米柱组成。第一纳米结构化材料可以由金属硫化物如FeS2,Cu2S,SnS组成。另外,第一纳米结构化材料可以包括由IV族半导体物质如FeSi2组成的半导体材料。在还有的其他实施方式中,第一纳米结构化材料由选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料和金属氧化物的纳米管组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在其他可替代实施方式中,第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米柱组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,第一纳米结构化材料选自Si,Ge,SiGe合金,而第二纳米结构化材料由ZnO构成的纳米柱组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米管组成。根据一个具体实施方式,第一纳米结构化材料选自Si,Ge,SiGe合金,而第二纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。另外,第一纳米结构化材料选自Si,Ge,SiGe合金,而第二纳米结构化材料由纳米结构化的金属硫化物如SnS2,ZnS组成。在一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料由无机半导体组成,而第二纳米结构化材料由有机半导体组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明器件也具有一个混合区域707,其可以包括的第一和第二纳米结构化材料,被提供于第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间。根据实施方式不同,混合区域能够具有某些空间形状。作为一个实例,混合区域的厚度为约1nm至约5000nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约5000nm。在一个可替代实施方式中,混合区域的厚度为约1nm至约1000nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约1000nm。还有,混合区域的厚度为约1nm至约500nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约500nm。另外,混合区域的厚度为约1nm至约100nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约100nm。在其他实施方式中,混合区域的厚度为约1nm至约50nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约50nm。可替代地,混合区域的厚度为约1nm至约50nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约10nm。在其他实施方式中,混合区域的厚度为约1nm至约50nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约5nm。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,混合区域707具有包括第一和第二纳米结构化材料的界面区域。根据一个具体实施方式,也就是说,界面区域基本上物理地电接触第一和第二纳米结构化材料,如所示。在一个优选的实施方式中,界面区域能够是包括第一和第二纳米结构化材料的整合结构。另外,根据一个可替代的实施方式,界面区域能够是两个相互接触的分开结构。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明器件也具有特征化第一纳米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方式,第二电子亲和势和第二电离势特征化第二纳米结构化材料。在一个优选的实施方式中,第一电子亲和势小于第二电子亲和势,而根据一优选的实施方式第一电离势小于第二电离势。在一个优选实施方式中,第二电子亲和势小于第一电离势。在一个优选的实施方式中,材料也具有特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种且对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件具有特征化每种纳米结构化材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少100eV。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少300eV。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少500eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料以能带隙为特征。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料也具有载流子迁移率。根据一个具体实施方式,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。在其他实施方式中,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
如所示,根据一个具体实施方式,本发明器件具有通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子,在第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输,而正电荷载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中,电荷载流子经历第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中的绝大部分载流子传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中,本发明光生伏打器件具有覆盖用的空穴传输/电子闭锁材料709。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,空穴传输/电子闭锁材料覆盖混合区域,尤其是第二纳米结构化材料。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物,IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,金属硫化物,铜化合物,有机半导体,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料选自NiO,Cu2O,Si,Ge,SiGe合金,Cu2S,CuI,CuSCN,CuPc,ZnPc,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料和电子接收电极之间,这将在以下进行更全面的描述。在一个具体实施方式中,通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料,而在电子传输/空穴闭锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间,这在先前已经进行了描述。根据一个具体实施方式,通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料,而在空穴传输/电子闭锁材料中传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面区域的电极结构711。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属,有机材料,或这些的组合等。根据实施方式不同,电极结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),以及分层结构等。另外,电极层能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。制作本发明器件的方式的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
根据本发明一个可替代实施方式用于形成本发明光生伏打器件的纳米复合物材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃);
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波);
3.形成覆盖表面区域的电极层;
4.形成覆盖电极层的电子传输/空穴闭锁材料;
5.形成覆盖电子传输/空穴闭锁材料的第一纳米结构化材料(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料);
6.形成覆盖第一纳米结构化材料以使第一纳米结构化材料与第二纳米结构化材料相互混合的第二纳米结构化材料(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料);
7.促使在第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间提供的混合区域的形成;
8.至少处理该混合区域,以提供处于第一电子亲和势和第一电离势的第一纳米结构化材料;
9.至少处理该混合区域,以提供处于第二电子亲和势和第二电离势的第二纳米结构化材料(步骤8和9可以同时的和/或重叠的,取决于具体的实施方式);
10.形成覆盖第二纳米结构化材料的空穴传输/电子闭锁材料;
11.形成覆盖第二纳米结构化材料的电极结构;
12.按照需要,实施其他步骤;和
13.提供包括混合区域的本发明光生伏打器件,以至于第一电子亲和势小于第二电子亲和势而第一电离势小于第二电离势且特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所示,该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应用的纳米复合物纳米结构化材料、空穴传输/电子闭锁材料和电子传输/空穴闭锁材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图8至图13是举例说明根据本发明一个可替代的实施方式制造本发明光生伏打器件纳米结构化材料的可替代方法的简图。该图仅仅是一个实例,不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。如所示,本发明方法以提供衬底组件800开始。衬底组件包括覆盖的表面区域801。在一个具体的实施方式中,衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些的任意组合等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质的和/或复合的和/或分层的材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金、有机材料或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体材料,如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
再参照图8,本方法包括一个清洗过程,采用一种或多种合适的技术清洗表面区域。在一个具体实施方式中,清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括,除了别的以外,RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。清洗过程也能包括采用超清洁水如去离子水和/或基本无微粒的水。在其它实施方式中,清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗,表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质,包括这些的组合。当然,本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
现在参照图9,本发明方法包括形成覆盖表面区域的电极层901。在一些实施方式中,电极层可以通过传统沉积方法如溅射法、蒸发沉积法和溶液沉积法形成。如所示,电极结构覆盖了衬底组件的表面区域。在一个具体实施方式中,电极结构能够用合适的材料或材料组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、镍、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
可选地,本发明方法可以包括在电极层形成之后的一个清洗过程。在一个具体实施方式中,清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括,除了别的以外,RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。该清洗过程也能包括超清洁水如去离子水和/或基本无粒子的水。在其他实施方式中,清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗,表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质的,包括这些的组合。在一个优选的实施方式中,本发明方法在电极层发生任何污染之前实施随后的沉积过程。当然,本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
在一个优选实施方式中,本发明方法形成覆盖的电子传输/空穴闭锁材料1001,如图10所示。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极901,优选该电极是透明的。另外,根据一个具体实施方式,衬底也是光学透明的。另外,根据一个具体实施方式,电极和衬底组件不是透明的,也可以包括反射材料,容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。仅仅作为一个实例,电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体,或任何其他合适的材料,包括材料的组合,分层材料等。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物,包括但不限于ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3,其他金属氧化物等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明方法形成覆盖电极层的第一纳米结构化材料1101(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料),如图12所示。在一个优选的实施方式中,第一纳米结构化材料在电极层之上并与之实现物理的电接触。现在参照图12,本发明方法形成覆盖第一纳米结构化材料以使第一纳米结构化材料与第二纳米结构化材料相互混合的第二纳米结构化材料1201(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料)。
在一个具体实施方式中,纳米结构化材料能够具有一定几何形状和/或尺寸。纳米结构化材料能够包括,除别的之外,纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料,包括这些的组合等。在一个具体实施方式中,本发明方法能够形成某些类别中的纳米结构化材料如纳米孔、纳米柱、纳米管、纳米粒子、这些的任意组合等。形成这些纳米结构化材料的方法的更详细的细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
再参照附图12,本发明方法形成通过第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料提供的混合区域1205。在一个具体实施方式中,混合区域经过处理以提供第一纳米结构化材料处于第一电子亲和势和第一电离势而第二纳米结构化材料处于第二电子亲和势和第二电离势。根据实施方式不同,本发明方法能够分开或同时对这些两种纳米结构化材料进行处理,而使第一电子亲和势低于第二电子亲和势,以提供包括混合区域的本发明光生伏打器件。在一个优选实施方式中,第一电离势低于第二电离势。在一个优选实施方式中,第二电子亲和势低于第一电离势。另外,根据一个优选的实施方式,本发明光生伏打器件具有的对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数特征化了第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种。
在一个优选实施方式中,本发明方法形成空穴传输/电子闭锁的覆盖材料1301,如图13所示。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,空穴传输/电子闭锁材料覆盖混合区域,尤其是第二纳米结构化材料。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物,IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,金属硫化物,铜化合物,有机半导体,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料选自NiO,Cu2O,Si,Ge,SiGe合金,Cu2S,CuI,CuSCN,CuPc,ZnPc,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料和电子接收电极之间,这将在以下进行更全面的描述。在一个具体实施方式中,通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料,而在电子传输/空穴闭锁材料传输。在一个可选的实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间,这在先前已经进行了描述。根据一个具体实施方式,通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料,而在空穴传输/电子闭锁材料传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
再参照图13,本发明方法形成覆盖第二纳米结构化材料的电极结构1305。如所示,根据一个具体实施方式,电极结构覆盖空穴传输/电子闭锁材料的表面区域。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低(或更高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合等,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。根据实施方式不同,能够执行其他步骤。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所示,该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应用的纳米复合物材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法和结构的更详细的细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图14是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打器件可替代的纳米结构化材料1400的简图。该图仅仅是一个实例,不应该不适当地限制此处权利要求的范围。普通的技术员将会认知其他的变体、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件是由例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料的纳米结构化材料制成的。在一个具体实施方式中,本发明器件包括衬底组件1401。该衬底组件包括一个覆盖表面区域。在一个具体实施方式中,该衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些的任何组合等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质和/或复合和/或分层材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体材料,如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底组件表面区域的电极结构1403。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低(或较高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合等,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中,本发明光生伏打器件具有覆盖的电子传输/空穴闭锁材料1405。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示,电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极1403,该电极优选是透明的。另外,根据一个具体实施方式,衬底组件也是光学透明的。另外,根据一个具体实施方式,电极和衬底组件组件不是透明的,也可以包括反射材料,其容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。在一个优选的实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料是纳米结构化基的。也就是,电子传输空穴闭锁材料能够由物理结构制成,包括但不限于,纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料,包括其组合,分层的结构等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
另外,电子传输/空穴闭锁材料能够由合适的物质制成。仅仅作为一个实例,电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体,或任何其他合适的材料,包括材料的组合,分层材料等。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物,包括但不限于ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3,其他金属氧化物等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖电子传输/空穴闭锁材料1405的纳米结构化材料1407。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料电耦合于电极层。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同,纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由合适的复合物、均质材料或异质材料,包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施方式不同,半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中,该材料能够由金属氧化物物质制成。作为一个实例,金属氧化物能够是ZnO,TiO2,SnO2,WO3,CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,这些的组合等。在其他一般实施方式中,纳米结构化材料选自金属硫化物,例如Cu2S,FeS,FeS2,SnS,SnS2,ZnS,这些的组合等。另外,纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质如FeSi2组成的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,纳米结构化材料能够具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料由选自Si,Ge,SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由选自ZnO,FeO,Fe2O3,CuO,Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米管组成。在其他实施方式中,在其他实施方式中,纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。另外,纳米结构化材料由选自FeS2,SnS,SnS2,ZnS,Cu2S或其他的纳米结构金属硫化物组成。还有可替代地,纳米结构化材料可以包括由含有IV族半导体物质如FeSi2等的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同,纳米结构化材料能够具有某些空间形状。作为一个实例,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约5000nm。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约1000nm。还有,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约500nm。另外,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约100nm。在其他实施方式中,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约50nm。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件也具有特征化纳米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方式,第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材料,而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材料。在一个优选实施方式中,第三电子亲和势和第三电离势分别低于第一电子亲和势和第一电离势,而第一电子亲和势和第一电离势分别低于第二电子亲和势和第二电离势。在一个优选实施方式中,第二电子亲和势低于第三电离势。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件具有特征化纳米结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约100eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约500eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约500eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料以能带隙为特征。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中,纳米结构化材料的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外,纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。在其他实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
如所示,根据一个具体实施方式,本发明光生伏打器件通过纳米结构化材料光学吸收产生的正电荷载流子和负电荷载流子,在纳米结构化材料和电子传输/空穴闭锁材料之间以及纳米结构化材料和穴闭传输/电子空锁材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输,而正电荷载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中,电荷载流子经历电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料中的绝大部分载流子传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中,本发明器件具有覆盖的空穴传输/电子闭锁材料1409。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,空穴传输/电子闭锁材料覆盖纳米结构化材料。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物,IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,金属硫化物,铜化合物,有机半导体,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料选自NiO,Cu2O,Si,Ge,SiGe合金,Cu2S,CuI,CuSCN,CuPc,ZnPc,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料和电子接收电极之间,这将在以下进行更全面的描述。在一个具体实施方式中,通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料,而在电子传输/空穴闭锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间,这在先前已经进行了描述。根据一个具体实施方式,通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料,而在空穴传输/电子闭锁材料中传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面区域的电极结构1411。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属,有机材料,或这些的组合等。根据实施方式不同,电极结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),以及分层结构等。另外,电极层能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。制作本发明器件的方式的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
根据本发明一个可替代实施方式用于形成本发明光生伏打器件的纳米复合物材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃);
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波);
3.形成覆盖表面区域的电极层;
4.形成覆盖电极层的电子传输/空穴闭锁材料;
5.形成覆盖电子传输/空穴闭锁材料的纳米结构化材料(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料);
6.形成覆盖纳米结构化材料的空穴传输/电子闭锁材料;
7.形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料的电极结构;
8.按照需要,实施其他步骤;和
9.提供光学吸收系数至少特征化纳米结构化材料且对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的本发明光生伏打器件。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所示,该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图15至图18是举例说明根据本发明一个可替代的实施方式制造本发明光生伏打器件纳米结构化材料的可替代方法的简图。该图仅仅是一个实例,不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。如所示,本发明方法以提供衬底组件1501开始。衬底组件包括覆盖的表面区域1502。在一个具体的实施方式中,衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些的任意组合等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质的和/或复合的和/或分层的材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金、有机材料或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体材料,如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本方法包括一个清洗过程,采用一种或多种合适的技术清洗表面区域。在一个具体实施方式中,清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括,除了别的以外,RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。清洗过程也能包括采用超清洁水如去离子水和/或基本无微粒的水。在其它实施方式中,清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗,表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质,包括这些的组合。当然,本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
再参照图15,本发明方法包括形成覆盖表面区域的电极层1503。在一些实施方式中,电极层可以通过传统沉积方法如溅射法、蒸发沉积法和溶液沉积法形成。如所示,电极结构覆盖了衬底组件的表面区域。在一个具体实施方式中,电极结构能够用合适的材料或材料组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、镍、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
可选地,本发明方法可以包括在电极层形成之后的一个清洗过程。在一个具体实施方式中,清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括,除了别的以外,RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。该清洗过程也能包括超清洁水如去离子水和/或基本无粒子的水。在其他实施方式中,清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗,表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质的,包括这些的组合。在一个优选的实施方式中,本发明方法在电极层发生任何污染之前实施随后的沉积过程。当然,本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
在一个优选实施方式中,本发明方法形成电子传输/空穴闭锁材料1505,如图15所示。在一个具体实施方式中,该材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极1503,优选该电极是透明的。另外,根据一个具体实施方式,衬底也是光学透明的。另外,根据一个具体实施方式,电极和衬底组件不是透明的,也可以包括反射材料,容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。仅仅作为一个实例,电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体,或任何其他合适的材料,包括材料的组合,分层材料等。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物,包括但不限于ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3,其他金属氧化物等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖电子传输/空穴闭锁材料1505的纳米结构化材料1601,如图16所示。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区域。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同,纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由合适的复合物、均质材料或异质材料,包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施方式不同,半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中,该材料由金属氧化物物质制成。作为一个实例,金属氧化物能够是ZnO,TiO2,SnO2,WO3,CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,这些的组合等。在其它普通实施方式中,纳米结构化材料选自金属硫化物,例如Cu2S,FeS,FeS2,SnS,SnS2,ZnS,可替代地,纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质例如FeSi2等组成的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,纳米结构化材料能够具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料由选自Si,Ge,SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由选自ZnO,FeO,Fe2O3,CuO,Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料和金属氧化物的纳米管组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。另外,纳米结构化材料可以由纳米结构化金属硫化物如FeS2,SnS,SnS2,ZnS,Cu2S等组成。在某些实施方式中,纳米结构化材料能够包括由IV族半导体物质如FeSi2组成的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同,纳米结构化材料能够具有某些空间形状。作为一个实例,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约5000nm。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约1000nm。还有,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约500nm。另外,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约100nm。在其他实施方式中,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约50nm。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件也具有特征化纳米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方式,第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材料,而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材料。在一个优选的实施方式中,第三电子亲和势和第三电离势分别小于第一电子亲和势和第一电离势,而第一电子亲和势和第一电离势分别小于第二电子亲和势和第二电离势。在一个优选实施方式中,第二电子亲和势小于第三电离势。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料也具有对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件具有特征化纳米结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约100eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约500eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约500eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料以能带隙为特征。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中,纳米结构化材料的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外,纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料、空穴传输/电子闭锁材料和电子传输/空穴闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。在其他实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,本发明光生伏打器件通过纳米结构化材料光学吸收产生的正电荷载流子和负电荷载流子,在纳米结构化材料和电子传输/空穴闭锁材料之间以及纳米结构化材料和空穴传输/电子闭锁材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输,而正电荷载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中,电荷载流子经历电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料中的绝大部分载流子传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中,该方法形成覆盖的空穴传输/电子闭锁材料1701,如图17所示。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,空穴传输/电子闭锁材料覆盖纳米结构化材料。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物,IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,金属硫化物,铜化合物,有机半导体,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料选自NiO,Cu2O,Si,Ge,SiGe合金,Cu2S,CuI,CuSCN,CuPc,ZnPc,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料和电子接收电极之间,这将在以下进行更全面的描述。在一个具体实施方式中,通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料,而在电子传输/空穴闭锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间,这在先前已经进行了描述。根据一个具体实施方式,通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料,而在空穴传输/电子闭锁材料中传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
参照图18,本发明方法形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面区域的电极结构1703。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属,有机材料,或这些的组合等。根据实施方式不同,电极结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),以及分层结构等。另外,电极层能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所示,该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图19是举例说明根据本发明一个的实施方式的本发明光生伏打器件的还有一种可替代的纳米结构化材料1900的简图。该图仅仅是一个实例,不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件是由例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料组成的纳米结构化材料制成的。在一个具体实施方式中,本发明器件包括衬底组件1901。该衬底组件包括一个覆盖表面区域。在一个具体实施方式中,该衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些的任何组合等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质和/或复合和/或分层材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体材料,如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底组件表面区域的电极层1903。在一个具体实施方式中,电极层能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合等,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中,本发明光生伏打器件具有覆盖的电子传输/空穴闭锁材料1905。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示,电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极1903,该电极优选是透明的。另外,根据一个具体实施方式,衬底组件也是光学透明的。另外,根据一个具体实施方式,电极和衬底组件组件不是透明的,也可以包括反射材料,其容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。在一个优选的实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料是纳米结构化基的。也就是,电子传输空穴闭锁材料能够由物理结构制成,包括但不限于,纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料,包括其组合,分层的结构等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
另外,电子传输/空穴闭锁材料能够由合适的物质制成。仅仅作为一个实例,电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体,或任何其他合适的材料,包括材料的组合,分层材料等。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物,包括但不限于ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3,其他金属氧化物等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖电子传输/空穴闭锁材料1905的纳米结构化材料1907。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区域。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同,纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料是薄层,与电子传输/空穴闭锁材料的表面一致。在一个具体实施方式中,纳米结构化材料对于半导体材料如硅、硅-锗合金而言低于约50nm。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由合适的复合物、均质材料或异质材料,包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施方式不同,半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中,该材料能够由金属氧化物物质制成。作为一个实例,金属氧化物能够是ZnO,TiO2,SnO2,WO3,CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,这些的组合等。在其他一般实施方式中,纳米结构化材料选自金属硫化物,例如Cu2S,FeS,FeS2,SnS,SnS2,ZnS,这些的组合等。另外,纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质如FeSi2组成的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,纳米结构化材料能够纳米结构化材料能够具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料由选自Si,Ge,SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由选自ZnO,FeO,Fe2O3,CuO,Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米管组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在还有的可替代实施方式中,纳米结构化材料由Cu2S,FeS2,SnS,SnS2,ZnS,除别的之外的纳米结构化金属硫化物组成。还有可替代地,纳米结构化材料可以包括由含有IV族半导体物质如FeSi2等的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同,纳米结构化材料与电子闭锁/空穴传输材料的性质一致,能够具有某些空间形状。作为一个实例,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约100nm。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约75nm。还有,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约50nm。另外,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约25nm。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件也具有特征化纳米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方式,第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材料,而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材料。在一个优选实施方式中,第三电子亲和势和第三电离势分别低于第一电子亲和势和第一电离势,第一电子亲和势和第一电离势分别低于第二电子亲和势和第二电离势,而第二电子亲和势低于第三电离势。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件具有特征化纳米结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约100eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约500eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约500eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料以能带隙为特征。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中,纳米结构化材料的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外,纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。在其他实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
如所示,根据一个具体实施方式,本发明光生伏打器件通过纳米结构化材料光学吸收产生的正电荷载流子和负电荷载流子,在纳米结构化材料和电子传输/空穴闭锁材料之间以及纳米结构化材料和穴闭传输/电子空锁材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输,而正电荷载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中,电荷载流子经历电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料中的绝大部分载流子传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中,本发明光生伏打器件具有空穴传输/电子闭锁材料1909。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,空穴传输/电子闭锁材料覆盖纳米结构化材料。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物,IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,金属硫化物,铜化合物,有机半导体,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料选自NiO,Cu2O,Si,Ge,SiGe合金,Cu2S,CuI,CuSCN,CuPc,ZnPc,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料和电子接收电极之间,这将在以下进行更全面的描述。在一个具体实施方式中,通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料,而在电子传输/空穴闭锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间,这在先前已经进行了描述。根据一个具体实施方式,通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料,而在空穴传输/电子闭锁材料中传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面区域的电极结构1911。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属,有机材料,或这些的组合等。根据实施方式不同,电极结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),以及分层结构等。另外,电极结构能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。制作本发明器件的方式的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
根据本发明一个可替代实施方式用于形成本发明光生伏打器件的纳米复合物材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃);
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波);
3.形成覆盖表面区域的电极层;
4.形成覆盖电极层的电子传输/空穴闭锁材料;
5.形成覆盖电子传输/空穴闭锁材料的共形纳米结构化材料(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料);
6.形成覆盖纳米结构化材料的空穴传输/电子闭锁材料;
7.形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料的电极结构;
8.按照需要,实施其他步骤;和
9.提供光学吸收系数至少特征化纳米结构化材料且对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的本发明光生伏打器件。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所示,该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图20至图22是举例说明根据本发明一个可替代的实施方式制造本发明光生伏打器件纳米结构化材料还有的一个可替代方法的简图。这些图仅仅是实例,不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。如所示,本发明方法以提供衬底组件2001开始。衬底组件包括覆盖的表面区域2002。在一个具体的实施方式中,衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些的任意组合等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质的和/或复合的和/或分层的材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金、有机材料或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体材料,如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本方法包括一个清洗过程,采用一种或多种合适的技术清洗表面区域。在一个具体实施方式中,清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括,除了别的以外,RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。清洗过程也能包括采用超清洁水如去离子水和/或基本无微粒的水。在其它实施方式中,清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗,表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质,包括这些的组合。当然,本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
再参照图20,本发明方法包括形成覆盖表面区域的电极层2003。在一些实施方式中,电极层可以通过传统沉积方法如溅射法、蒸发沉积法和溶液沉积法形成。如所示,电极层覆盖了衬底组件的表面区域。在一个具体实施方式中,电极结构能够用合适的材料或材料组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、镍、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极层是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
可选地,本发明方法可以包括在电极层形成之后的一个清洗过程。在一个具体实施方式中,清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括,除了别的以外,RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。该清洗过程也能包括超清洁水如去离子水和/或基本无粒子的水。在其他实施方式中,清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗,表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质的,包括这些的组合。在一个优选的实施方式中,本发明方法在电极层发生任何污染之前实施随后的沉积过程。当然,本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
在一个优选实施方式中,本发明方法形成电子传输/空穴闭锁材料2005,如图20所示。在一个具体实施方式中,该材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极2003,优选该电极是透明的。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料是纳米结构化材料,其包括表面形态2006,如所示。另外,根据一个具体实施方式,衬底组件也是光学透明的。另外,根据一个具体实施方式,电极和衬底组件不是透明的,也可以包括反射材料,容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。仅仅作为一个实例,电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体,或任何其他合适的材料,包括材料的组合,分层材料等。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物,包括但不限于ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3,其他金属氧化物等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖电子传输/空穴闭锁材料=2005的纳米结构化材料2007,如图21所示。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区域。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同,纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。在一个具体实施方式中,纳米结构化材料加强了电子传输/空穴闭锁材料的表面,而并未填充电子传输/空穴闭锁材料的纳米结构化材料中的孔隙。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由合适的复合物、均质材料或异质材料,包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施方式不同,半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中,该材料由金属氧化物物质制成。作为一个实例,金属氧化物能够是ZnO,TiO2,SnO2,WO3,CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,这些的组合等。在其它普通实施方式中,纳米结构化材料选自金属硫化物,例如Cu2S,FeS,FeS2,SnS,SnS2,ZnS。可替代地,纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质例如FeSi2等组成的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,纳米结构化材料能够具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料由选自Si,Ge,SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由选自ZnO,FeO,Fe2O3,CuO,Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料和金属氧化物的纳米管组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在还有的可替代实施方式中,纳米结构化材料可以由纳米结构化金属硫化物如FeS2,SnS,SnS2,ZnS,Cu2S等组成。另外,纳米结构化材料能够包括由IV族半导体物质如FeSi2组成的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同,纳米结构化材料能够具有某些空间形状。作为一个实例,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约5000nm。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约1000nm。还有,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约500nm。另外,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约100nm。在其他实施方式中,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约50nm。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件也具有特征化纳米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方式,第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材料,而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材料。在一个优选的实施方式中,第三电子亲和势和第三电离势分别小于第一电子亲和势和第一电离势,而第一电子亲和势和第一电离势分别小于第二电子亲和势和第二电离势。在一个优选实施方式中,第二电子亲和势小于第三电离势。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料也具有对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件具有特征化纳米结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约100eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约500eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约500eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料以能带隙为特征。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中,纳米结构化材料的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外,纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。在其他实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,本发明光生伏打器件通过纳米结构化材料光学吸收产生的正电荷载流子和负电荷载流子,在纳米结构化材料和电子传输/空穴闭锁材料之间以及纳米结构化材料和空穴传输/电子闭锁材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输,而正电荷载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中,电荷载流子经历电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料中的绝大部分载流子传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中,该方法形成覆盖的空穴传输/电子闭锁材料2201,如图22所示。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,空穴传输/电子闭锁材料覆盖纳米结构化材料。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有一个平面的表面区域,而填充了纳米结构化材料中全部的任何孔穴。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物,IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,金属硫化物,铜化合物,有机半导体,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料选自NiO,Cu2O,Si,Ge,SiGe合金,Cu2S,CuI,CuSCN,CuPc,ZnPc,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料和电子接收电极之间,这将在以下进行更全面的描述。在一个具体实施方式中,通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料,而在电子传输/空穴闭锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间,这在先前已经进行了描述。根据一个具体实施方式,通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料,而在空穴传输/电子闭锁材料中传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
参照图22,本发明方法形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面区域的电极结构2205。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属,有机材料,或这些的组合等。根据实施方式不同,电极结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),以及分层结构等。另外,电极结构能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所示,该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法和器件的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图23是举例说明根据本发明一个的实施方式的本发明光生伏打器件的还有一种可替代的纳米结构化材料2300的简图。该图仅仅是一个实例,不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件是由例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料组成的纳米结构化材料制成的。在一个具体实施方式中,本发明器件包括衬底组件2301。该衬底组件包括一个覆盖表面区域。在一个具体实施方式中,该衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些的任何组合等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质和/或复合和/或分层材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体材料,如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底组件表面区域的电极层2305。在一个具体实施方式中,电极层能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合等,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极层是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中,本发明光生伏打器件具有覆盖的电子传输/空穴闭锁材料2307。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示,电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极2305,该电极优选是透明的。另外,根据一个具体实施方式,衬底组件也是光学透明的。另外,根据一个具体实施方式,电极和衬底组件组件不是透明的,也可以包括反射材料,其容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。在一个优选的实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料是纳米结构化基的。也就是,电子传输空穴闭锁材料能够由物理结构制成,包括但不限于,纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料,包括其组合,分层的结构等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
另外,电子传输/空穴闭锁材料能够由合适的物质制成。仅仅作为一个实例,电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体,或任何其他合适的材料,包括材料的组合,分层材料等。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物,包括但不限于ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3,其他金属氧化物等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖电子传输/空穴闭锁材料2307的纳米结构化材料2309。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区域。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同,纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料是薄层,与电子传输/空穴闭锁材料的表面一致。在一个具体实施方式中,纳米结构化材料对于半导体材料如硅、硅-锗合金而言低于约50nm。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由合适的复合物、均质材料或异质材料,包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施方式不同,半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中,该材料能够由金属氧化物物质制成。作为一个实例,金属氧化物能够是ZnO,TiO2,SnO2,WO3,CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,这些的组合等。在其他一般实施方式中,纳米结构化材料选自金属硫化物,例如Cu2S,FeS,FeS2,SnS,SnS2,ZnS,这些的组合等。另外,纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质如FeSi2组成的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,纳米结构化材料能够具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料由选自Si,Ge,SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由选自ZnO,FeO,Fe2O3,CuO,Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米管组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在某些实施方式中,纳米结构化材料包括纳米结构化金属硫化物如Cu2S,FeS2,SnS,SnS2,ZnS等。另外,纳米结构化材料可以包括由含有IV族半导体物质如FeSi2等的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同,纳米结构化材料与电子闭锁/空穴传输材料的性质一致,能够具有某些空间形状。作为一个实例,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约100nm。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约75nm。还有,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约50nm。另外,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约25nm。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件也具有特征化纳米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方式,第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材料,而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材料。在一个优选实施方式中,第三电子亲和势和第三电离势分别低于第一电子亲和势和第一电离势,第一电子亲和势和第一电离势分别低于第二电子亲和势和第二电离势。在一个优选的实施方式中,第二电子亲和势低于第三电离势。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件具有特征化纳米结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约100eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约500eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约500eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料以能带隙为特征。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中,纳米结构化材料的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外,纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。在其他实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
如所示,根据一个具体实施方式,本发明器件具有通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子,在第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输,而正电荷载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中,电荷载流子经历第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中的绝大部分载流子传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中,本发明光生伏打器件具有覆盖的空穴传输/电子闭锁材料2311。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,空穴传输/电子闭锁材料覆盖纳米结构化材料。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物,IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,金属硫化物,铜化合物,有机半导体,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料选自NiO,Cu2O,Si,Ge,SiGe合金,Cu2S,CuI,CuSCN,CuPc,ZnPc,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料和电子接收电极之间,这将在以下进行更全面的描述。在一个具体实施方式中,通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料,而在电子传输/空穴闭锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间,这在先前已经进行了描述。根据一个具体实施方式,通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料,而在空穴传输/电子闭锁材料中传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面区域的电极结构2313。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属,有机材料,或这些的组合等。根据实施方式不同,电极结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),以及分层结构等。另外,电极结构能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。制作本发明器件的方法更详细的细节能够在整个本申请和以下更具体的内容中找到。
根据本发明一个可替代实施方式用于形成本发明光生伏打器件的纳米复合物材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃);
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波);
3.形成覆盖表面区域的电极层;
4.形成覆盖电极层的电子传输/空穴闭锁材料;
5.形成覆盖电子传输/空穴闭锁材料的同形纳米结构化材料(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料);
6.形成覆盖纳米结构化材料的空穴传输/电子闭锁材料;
7.形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料的电极结构;
8.按照需要,实施其他步骤;和
9.提供光学吸收系数至少特征化纳米结构化材料且对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的本发明光生伏打器件。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所示,该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图24至图25是举例说明根据本发明一个可替代的实施方式制造本发明光生伏打器件纳米结构化材料还有的一个可替代方法的简图。该图仅仅是一个实例,不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。如所示,本发明方法以提供表面区域2302的衬底组件2301开始。衬底组件包括覆盖的表面区域。在一个具体的实施方式中,衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些的任意组合等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质的和/或复合的和/或分层的材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金、有机材料或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体材料,如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本方法包括一个清洗过程,采用一种或多种合适的技术清洗表面区域。在一个具体实施方式中,清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括,除了别的以外,RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。清洗过程也能包括采用超清洁水如去离子水和/或基本无微粒的水。在其它实施方式中,清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗,表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质,包括这些的组合。当然,本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
再参照图24,本发明方法包括形成覆盖表面区域的电极层2301。在一些实施方式中,电极层可以通过传统沉积方法如溅射法、蒸发沉积法和溶液沉积法形成。如所示,电极层覆盖了衬底组件的表面区域。在一个具体实施方式中,电极结构能够用合适的材料或材料组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、镍、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极层是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
可选地,本发明方法可以包括在电极层形成之后的一个清洗过程。在一个具体实施方式中,清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括,除了别的以外,RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。该清洗过程也能包括超清洁水如去离子水和/或基本无粒子的水。在其他实施方式中,清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗,表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质的,包括这些的组合。在一个优选的实施方式中,本发明方法在电极层发生任何污染之前实施随后的沉积过程。当然,本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
在一个优选实施方式中,本发明方法形成覆盖的电子传输/空穴闭锁材料2305,如图24所示。在一个具体实施方式中,该材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极2301,优选该电极是透明的。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料是纳米结构化材料,其包括平面表面形态,如所示。另外,根据一个具体实施方式,衬底组件也是光学透明的。另外,根据一个具体实施方式,电极层和衬底组件不是透明的,也可以包括反射材料,容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。仅仅作为一个实例,电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体,或任何其他合适的材料,包括材料的组合,分层材料等。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物,包括但不限于ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3,其他金属氧化物等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖电子传输/空穴闭锁材料2307的纳米结构化材料2309,如图24所示。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区域。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同,纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。在一个具体实施方式中,纳米结构化材料加强了电子传输/空穴闭锁材料,而并未填充电子传输/空穴闭锁材料的纳米结构化材料中的孔隙。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由合适的复合物、均质材料或异质材料,包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体实施方式中,纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施方式不同,半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中,该材料由金属氧化物物质制成。作为一个实例,金属氧化物能够是ZnO,TiO2,SnO2,WO3,CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,这些的组合等。在其它普通实施方式中,纳米结构化材料选自金属硫化物,例如Cu2S,FeS,FeS2,SnS,SnS2,ZnS,可替代地,纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质例如FeSi2等组成的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,纳米结构化材料能够纳米结构化材料能够具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料由选自Si,Ge,SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由选自ZnO,FeO,Fe2O3,CuO,Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米管组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在某些实施方式中,纳米结构化材料包括纳米结构化金属硫化物如Cu2S,FeS2,SnS,SnS2,ZnS等。另外,纳米结构化材料可以包括由含有IV族半导体物质如FeSi2等的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,纳米结构化材料能够具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料由选自Si,Ge,SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由选自ZnO,FeO,Fe2O3,CuO,Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中,纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米管组成。在其他实施方式中,纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。还有可替代地,纳米结构化材料包括纳米结构化金属硫化物如Cu2S,FeS2,SnS,SnS2,ZnS,除别的之外的。纳米结构化材料也可以包括由含有IV族半导体物质如FeSi2等的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同,纳米结构化材料能够具有某些空间形状。作为一个实例,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约5000nm。在一个可替代实施方式中,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约1000nm。还有,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约500nm。另外,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约100nm。在其他实施方式中,纳米结构化材料的厚度为约1nm至约50nm。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件也具有特征化纳米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方式,第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材料,而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材料。在一个优选实施方式中,第三电子亲和势和第三电离势分别低于第一电子亲和势和第一电离势,第一电子亲和势和第一电离势分别低于第二电子亲和势和第二电离势,第二电子亲和势低于第三电离势。在一个优选的实施方式中,纳米结构化材料对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件具有特征化纳米结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约100eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约500eV,而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约500eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料以能带隙为特征。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中,纳米结构化材料的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外,纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。在其他实施方式中,纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明器件具有通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子,在纳米结构化材料和电子传输/空穴闭锁材料以及纳米结构化材料和空穴传输/电子闭锁材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输,而正电荷载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中,电荷载流子经历第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中的绝大部分载流子传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中,本发明方法形成了覆盖的空穴传输/电子闭锁材料2311,如图25所示。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,空穴传输/电子闭锁材料覆盖纳米结构化材料。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有平面表面区域,填充了纳米结构化材料中所有的任何空隙。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物,IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,金属硫化物,铜化合物,有机半导体,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料选自NiO,Cu2O,Si,Ge,SiGe合金,Cu2S,CuI,CuSCN,CuPc,ZnPc,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料和电子接收电极之间,这将在以下进行更全面的描述。在一个具体实施方式中,通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料,而在电子传输/空穴闭锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间,这在先前已经进行了描述。根据一个具体实施方式,通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料,而在空穴传输/电子闭锁材料中传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
参照图25,本发明方法形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面区域的电极层2313。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、镍、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极层是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所示,该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图26是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打器件还有的一种可替代纳米结构化材料2600的简图。该图仅仅是一个实例,不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件是由例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料构成的纳米结构化材料制成的。在一个具体实施方式中,本发明器件包括衬底组件2601。该衬底组件包括一个覆盖表面区域。在一个具体实施方式中,该衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些的任何组合等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质和/或复合和/或分层材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体材料,如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底组件表面区域的电极结构2603。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合等,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中,本发明光生伏打器件具有覆盖的电子传输/空穴闭锁材料2605。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示,电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极层2603,优选是透明的。另外,根据一个具体实施方式,衬底组件也是光学透明的。另外,根据一个具体实施方式,电极和衬底组件组件不是透明的,也可以包括反射材料,其容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。仅仅作为一个实例,电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体,金属氧化物,有机半导体或其他任何合适材料,包括材料的组合,分层材料等。在一个具体实施方式,电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物包括但不限于,ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3,其他金属氧化物等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖电子传输/空穴闭锁材料705的第一纳米结构化材料2601。在一个优选的实施方式中,第一纳米结构化材料电耦合于电极组件的表面区域。如所示,第一纳米结构材料具有平面表面区域。根据一个具体实施方式,本发明光生伏打器件也包括覆盖第一纳米结构化材料的第二纳米结构化材料2609。在一个具体实施方式中,第一和第二纳米结构化材料形成界面区域。根据一个具体实施方式,第二纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同,第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,每一纳米结构化材料由合适的复合物、均质材料或异质材料,包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体实施方式中,第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施方式不同,半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中,这些纳米结构化材料中要么一种要么两种都能够由金属氧化物物质制成。作为一个实例,对于第一纳米结构化材料的金属氧化物能够是CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,这些的组合等。在一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料能够由金属硫化物例如FeS2,Cu2S,SnS等制成。第一纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质构成的半导体材料,例如,FeSi2。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,第二纳米结构化材料由金属氧化物如ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3组成。在一个可替代的实施方式中,第二纳米结构化材料能够由金属硫化物如SnS2,ZnS等组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料能够选自Si,Ge,ZnO,TiO2,SnO2,WO3,CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,Fe3O4,Cu2S,FeS,包括组合等。在其他普通实施方式中,第一纳米结构化材料选自金属硫化物,如Cu2S,FeS,FeS2,SnS,组合等。另外,第一纳米结构化材料能够是包括IV族半导体物质例如FeSi2除别的之外的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,纳米结构化材料能够具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例,第一纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料由选自Si,Ge,SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料由选自ZnO,FeO,Fe2O3,CuO,Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中,第一纳米结构化材料由选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料和金属氧化物的纳米管组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在其他可替代实施方式中,第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米柱组成。在某些实施方式中,第一纳米结构化材料可以由结构化金属硫化物如FeS2,SnS,Cu2S等组成。第一纳米结构化材料可以包括由IV族半导体物质如FeSi2等组成的半导体材料。第二纳米结构化材料由金属硫化物如SnS2、ZnS等组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,第一纳米结构化材料选自Si,Ge,SiGe合金,而第二纳米结构化材料由ZnO构成的纳米柱组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米管组成。根据一个具体实施方式,第一纳米结构化材料选自Si,Ge,SiGe合金,而第二纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料由无机半导体组成,而第二纳米结构化材料由有机半导体组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,第一纳米结构化材料和第二纳米结构能够具有某些空间形状。作为一个实例,第一纳米结构化材料和第二纳米结构材料的层厚度为约1nm至约5000nm。在一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料和第二纳米结构材料的层厚度为约1nm至约1000nm。还有,第一纳米结构化材料和第二纳米结构材料的层厚度为约1nm至约500nm。另外,第一纳米结构化材料和第二纳米结构材料的层厚度为约1nm至约100nm。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料和第二纳米结构材料的层厚度为约1nm至约50nm,而混合的特征空间间距为约1nm至约50nm。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件也具有可以包括第一和第二纳米结构化材料的一部分或多部分且提供于第一纳米结构化材料和第二纳米结构材料之间的界面区域2608。根据一个具体实施方式,也就是说,界面区域基本上物理地电接触第一和第二纳米结构化材料,如所示。在一个优选的实施方式中,界面区域能够是包括第一和第二纳米结构化材料的整合结构。另外,根据一个可替代的实施方式,界面区域能够是两个相互接触的分开结构。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明器件也具有特征化第一纳米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方式,第二纳米结构化材料以第二电子亲和势和第二电离势为特征。在一个优选的实施方式中,第一电子亲和势小于第二电子亲和势,而根据一优选的实施方式第一电离势小于第二电离势。在一个优选实施方式中,第二电子亲和势小于第一电离势。在一个优选的实施方式中,本发明器件也具有特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种且对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件具有特征化每种纳米结构化材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少100eV。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少300eV。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少500eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料以能带隙为特征。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料也具有载流子迁移率。根据一个具体实施方式,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。在其他实施方式中,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
如所示,根据一个具体实施方式,本发明器件具有通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子,在第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输,而正电荷载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中,电荷载流子经历第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中的绝大部分载流子传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中,本发明光生伏打器件具有覆盖用的空穴传输/电子闭锁材料2611。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,空穴传输/电子闭锁材料覆盖混合区域,尤其是第二纳米结构化材料。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物,IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,金属硫化物,铜化合物,有机半导体,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料选自NiO,Cu2O,Si,Ge,SiGe合金,Cu2S,CuI,CuSCN,CuPc,ZnPc,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料和电子接收电极之间,这将在以下进行更全面的描述。在一个具体实施方式中,通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料,而在电子传输/空穴闭锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间,这在先前已经进行了描述。根据一个具体实施方式,通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料,而在空穴传输/电子闭锁材料中传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面区域的电极结构2613。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属,有机材料,或这些的组合等。根据实施方式不同,电极结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),以及分层结构等。另外,电极结构能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极结构,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。制作本发明器件的方式的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
根据本发明一个可替代实施方式用于形成本发明光生伏打器件的纳米复合物材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃);
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波);
3.形成覆盖表面区域的电极层;
4.形成覆盖电极层的电子传输/空穴闭锁材料;
5.形成覆盖电子传输/空穴闭锁材料的第一纳米结构化材料(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料);
6.形成覆盖第一纳米结构化材料的第二纳米结构化材料(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料);
7.促使在第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间提供的界面区域的形成,以提供第一纳米结构化材料处于第一电子亲和势和第一电离势而提供第二纳米结构化材料处于第二电子亲和势和第一电离势;
8.形成覆盖第二纳米结构化材料的空穴传输/电子闭锁材料;
9.形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料的电极结构;
10.按照需要,实施其他步骤;和
11.提供本发明光生伏打器件,以至于第一电子亲和势小于第二电子亲和势而第一电离势小于第二电离势且第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种的特征是光学吸收系数对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所示,该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应用的纳米复合物材料、空穴传输/电子闭锁材料和电子传输/空穴闭锁材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图27至图28是举例说明根据本发明一个可替代的实施方式制造本发明光生伏打器件纳米结构化材料的可替代方法的简图。这些图仅仅是实例,不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件以由例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料的纳米结构化材料制成。在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括衬底组件2701。该衬底组件包括覆盖的表面区域。在一个具体的实施方式中,衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体,包括这些的任意组合,等。在一个具体实施方式中,绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质的和/或复合的和/或分层的材料的类型。在一个具体实施方式中,导体能够是金属、金属合金或这些的任意组合等。另外,衬底组件能够是半导体材料,如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明方法形成覆盖衬底组件表面区域的电极结构2703。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同,电极结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),和分层结构等。另外,电极层能够是碳基的,如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低(或更高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合等,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。根据实施方式不同,能够执行其他步骤。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中,本发明光生伏打器件具有覆盖的电子传输/空穴闭锁材料2705。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示,电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极2703,该电极优选是透明的。另外,根据一个具体实施方式,衬底组件也是光学透明的。另外,根据一个具体实施方式,电极和衬底组件组件不是透明的,也可以包括反射材料,其容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。仅仅作为一个实例,电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体,或任何其他合适的材料,包括材料的组合,分层材料等。在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物,包括但不限于ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3,其他金属氧化物等。在一个具体实施方式中,该层也是平面的,如所示。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖电子传输/空穴闭锁材料2705的第一纳米结构化材料2709。在一个优选的实施方式中,第一纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区域。根据一个具体实施方式,本发明光生伏打器件也包括覆盖第一纳米结构化材料的第二纳米结构化材料2711。在一个具体实施方式中,第一和第二纳米结构化材料形成混合区域,这在整个本说明书和以下的更具体的内容中已经进行了描述。根据一个具体实施方式,第二纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同,第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,每一种纳米结构化材料由合适的复合物、均质材料或异质材料,包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体实施方式中,第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施方式不同,半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中,要么一种要么两种这些纳米结构化材料都能够由金属氧化物物质制成。作为一个实例,金属氧化物能够是CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,这些的组合等。在可替代实施方式中,第一纳米结构化材料选自金属硫化物。例如,这些金属硫化物能够是FeS2,SnS,Cu2S,FeS,这些的组合等。根据一个具体实施方式,第一纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质组成的半导体材料。例如半导体材料能够是FeSi2等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,第二纳米结构化材料由金属氧化物如ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料能够选自Si,Ge,ZnO,TiO2,SnO2,WO3,CuO,Cu2O,FeO,Fe2O3,Fe3O4,Cu2S,FeS,FeS2,SnS,包括组合等。在其他普通实施方式中,第一纳米结构化材料可以选自金属硫化物,如Cu2S,FeS,FeS2,SnS,这些的组合等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,纳米结构化材料能够具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例,第一纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料由选自Si,Ge,SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料由选自ZnO,FeO,Fe2O3,CuO,Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中,第一纳米结构化材料由选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料和金属氧化物的纳米管组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在其他可替代实施方式中,第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米柱组成。在某些实施方式中,第一纳米结构化材料可以由结构化金属硫化物如FeS2,Cu2S,SnS等组成。另外,第一纳米结构化材料可以包括由IV族半导体物质如FeSi2等组成的半导体材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中,第一纳米结构化材料选自Si,Ge,SiGe合金,而第二纳米结构化材料由ZnO构成的纳米柱组成。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米管组成。根据一个具体实施方式,第一纳米结构化材料选自Si,Ge,SiGe合金,而第二纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在一个具体实施方式中,第一纳米结构化材料选自Si,Ge,SiGe合金,而第二纳米结构化材料能够包括纳米结构化金属硫化物如SnS2,ZnS,等。在一个可替代实施方式中,第一纳米结构化材料由无机半导体组成,而第二纳米结构化材料由有机半导体组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件也具有包括第一和第二纳米结构化材料的界面区域。根据一个具体实施方式,也就是说,界面区域基本上物理地电接触第一和第二纳米结构化材料,如所示。在一个优选的实施方式中,界面区域能够是包括第一和第二纳米结构化材料的整合结构。另外,根据一个可替代的实施方式,界面区域能够是两个相互接触的分开结构。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明器件也具有特征化第一纳米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方式,第二纳米结构化材料以第二电子亲和势和第二电离势为特征。在一个优选的实施方式中,第一电子亲和势小于第二电子亲和势,而根据一优选的实施方式第一电离势小于第二电离势。在一个优选实施方式中,第二电子亲和势小于第一电离势。在一个优选的实施方式中,本发明器件也具有特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种且对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件具有特征化每种纳米结构化材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少100eV。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少300eV。在其他实施方式中,第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少500eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料以能带隙为特征。根据一个具体实施方式,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外,纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种能够具有载流子迁移率。根据一个具体实施方式,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。在其他实施方式中,一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
如所示,根据一个具体实施方式,本发明器件具有通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子,在第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输,而正电荷载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中,电荷载流子经历第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中的绝大部分载流子传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中,本发明光生伏打器件具有覆盖用的空穴传输/电子闭锁材料2711。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性能。如所示,根据一个具体实施方式,空穴传输/电子闭锁材料覆盖混合区域,尤其是第二纳米结构化材料。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物,IV族半导体材料,IV-IV族半导体材料,金属硫化物,铜化合物,有机半导体,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料选自NiO,Cu2O,Si,Ge,SiGe合金,Cu2S,CuI,CuSCN,CuPc,ZnPc,这些的组合,其可以是复合的和/或分层的等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料和电子接收电极之间,这将在以下进行更全面的描述。在一个具体实施方式中,通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料,而在电子传输/空穴闭锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中,空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间,这在先前已经进行了描述。根据一个具体实施方式,通过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料,而在空穴传输/电子闭锁材料中传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面区域的电极结构2715。在一个具体实施方式中,电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属,有机材料,或这些的组合等。根据实施方式不同,电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、铂、钯、钴、其他合适的金属,包括组合(例如合金),以及分层结构等。另外,电极结构能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个具体实施方式中,金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极结构,电极材料能够是金属氧化物如氧化铟锡,一般称为ITO,铝掺杂氧化锌,氟掺杂氧化锡,这些的任意组合和其他材料,这要根据具体的实施方式而定。在一个具体实施方式中,电极结构是导电的,所具有的电阻率低于所要求的数,这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然,也能够有其他变体、修改和替代。制作本发明器件的方式的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
从图29至图33是根据本发明实施方式形成纳米结构化材料的方法的简图。这些图只是实例,其不应该不合适地限制本文的权利要求范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。如所示,在图29中图示说明了溶液相沉积(SPD)方法。另一个可替代方法包括电化学沉积(ECD)法、溶液相生长(SPG)法和气相沉积(VPD)法,这些都在其余图中图示说明。参照图33,采用一种或多种工艺的方法进行了图示说明。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明方法和结构能够解决目前传统的薄膜光生伏打技术不能实现低成本高效的问题。尤其是,本发明方法和结构能够处理根据一个或多个具体实施方式的以下问题:
在太阳能光谱相关的波长范围中的高吸收系数;
有效载流子分离;
有效载流子传输;
低成本加工处理;
低毒性材料;
稳定耐用材料;和
充足材料。
根据一个具体实施方式,在任何太阳能光生伏打技术中的一个重要性质是太阳光的强吸收。优选活性材料尽可能多地吸收阳光。这具有许多个要分支。强吸收剂使得即使使用非常薄的薄膜也仍能够吸收有效的太阳光。这就由此最小化和/或降低了载流子经常必须传输达到电荷分离结点和接收电极的距离。由于大多数载流子的扩散长度一般较短,薄膜就能够减轻影响载流子穿过的过程如载流子再融合和捕获的中的有害过程。另外,由于使用显著较少的材料和所需材料质量要求较低而能够大大降低成本。
因此,本发明的实施方式包括具有用于尽可能多地吸收太阳光谱的高吸收系数的方法和结构。一般而言,相关的光学跃迁本质上是直接的而非间接的。纳米结构化材料中的量子受限提供了一种进一步增加吸收系数的方法。一般而言,光学跃迁的振子强度随着纳米结构化材料的特征尺寸的降低而增加,因此,纳米结构化材料的使用有利于实现更高的吸收系数。许多传统的材料就可以满足这些标准,例如有机染料、共轭低聚物和聚合物,小有机分子、无机半导体如GaAs,CdTe,PbSe,PbS,InP等。这些传统材料一般大多数都不满足以上列出的用于商业化和已接受的光生伏打应用的其他标准。然而,根据本发明的一个或多个实施方式满足高吸收系数低加工处理成本、低毒性、充足和稳定性的条件。这包括这些材料如大尺寸大和纳米结构化形式的IV族材料、IV-IV族材料、金属氧化物和金属硫化物,其实例有Si,Ge,Si/Ge合金,CuO,Cu2O,FeO,Fe2O,Cu2S,FeS,FeS2,SnS,SnS2,ZnS,包括任意组合等。另外,含有IV族半导体物质如大尺寸形式的FeSi2或作为纳米结构化材料提供的,都可以使用。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,高吸收系数的性质并没有把材料的选择限制为仅仅具有直接光学跃迁的那些。量子受限能够修改光学跃迁的性质,以使其随纳米结构化材料特征尺寸的降低而变,光学跃迁的性质就能从所具有的基本间接特性变化成具有直接变化度和基本能够是直接相当的间接特性的变化度。例如,纳米结构化硅和锗,二者都具有间接的光学跃迁,能够由具有间接光学跃迁的材料演化成随着其特征尺寸降低到纳米尺寸范围而具有基本直接光学跃迁的材料。因此,在其大尺寸形式时是间接跃迁的材料能够用于以其纳米结构化形式的光生伏打应用中。在一个优选的实施方式中,本发明的结构和方法能够包括纳米结构化硅、锗和/或硅锗合金等。
对于这种应用尤其是太阳能光生伏打器件的另一考虑因素是吸收剂材料的最佳和/或改进的能带隙。Schottkley和Queisser早先已经计算了单个结处太阳能光生伏打器件的最佳能带隙为约1.4eV,这就产生了约31%的散射太阳光的理论能量效率。他们证实了转换效率是如何依赖于吸收剂能带隙的。理论上非常高的效率能够在一个宽的材料能带隙范围即约1.1至约1.6eV内实现。
在一个具体实施方式中,本发明方法和结构包括具有能带隙落入高转换效率的这个范围内的吸收剂材料,也满足一种或多种以上列出其他标准如高吸收系数、低加工处理成本、相对无毒性、充足性和稳定性。这些实施方式包括大尺寸形式的CuO、FeO、Cu2S。
纳米结构化材料的量子受限提供了一种方便有效的方法,把纳米结构化材料的能带隙设计到太阳能光生伏打应用的最佳值。降低纳米结构化材料的特征尺寸(例如降低量子点的直径)而大约根据下式增加能带隙,Eg:
Eg(d)=Eg(∞)+C/dn(1)
其中d是特征尺寸(例如量子点直径);
C是材料依赖性常数;和
n一般在1至2之间变化。
方程(1)的结论是量子受限一直提高大尺寸值的能带隙。因此,仅仅带隙能量低于对应峰值(即约1.4eV)的材料能够经过修饰后以纳米结构化形式达到最佳值。在一个具体实施方式中,本发明方法和结构包括以纳米结构化形式的Si,Ge,Si/Ge合金,CuO,和FeO,因为它们满足能带隙标准以及先前所列的一个或多个其它标准,即高吸收系数、低成本加工处理、相对无毒性、充足和稳定性。尽管也有传统的材料可以满足能带隙标准,但是几乎没有传统材料满足所有的这些标准,这些标准对于高效率和可工业化的太阳能光生伏打应用是必须满足的。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在大多数传统光生伏打器件中实现电荷分离的方法都会对能量转换效率提呈限制。电荷分离在本发明器件中出现在有限数量的物理位点。对于典型的p-n结器件,电荷分离仅仅出现在载流子处于平面界面或p-型材料和n-型材料之间的结点的载流子扩散长度内之时。由于扩散长度一般在纳米范围内或几十个纳米到几百个纳米范围内,大多数产生光子的载流子就在这个区域之外产生,尤其是吸收系数较小的材料更是如此,因此需要厚度比载流子扩散长度更大的薄膜或晶片。这对于由p-n结设计的晶体硅制造的传统光生伏打器件来说,尤其成问题。传统的晶体Si晶片一般为200微米至300微米厚,数量级大于载流子扩散长度。因此,大多数产生光子的载流子都由于再融合、捕获等而损失,这就为传统器件构成了限制。
对于实现分离的载流子,它们必须经常在很长的距离之内(长度超过其扩散长度)传输才到达载流子接收电极。因此即使载流子成功地经过了电荷分离,但是其中大多数由于有害过程如载流子再融合和捕获而并未达到电极。这个问题如果通过利用少数载流子传输的当前器件设计会被加剧。
在一个具体实施方式中,本发明方法和结构对于许多方法和结构中即使不是所有的这些限制也能克服其中一些,这些限制已经在本文中以及整个本说明书进行了描述。本发明的一个实施方式可以通过本发明方法和结构使用材料的大吸收系数而可以使之克服这些限制。大吸收系数容许使用更薄的薄膜,其范围为约100nm至约500nm,而同时仍能够吸收绝大部分太阳光。这个膜厚度显著地比传统晶体硅光生伏打器件更薄(薄几个数量级),也比传统薄膜光生伏打器件薄得多。在一个具体实施方式中,本发明方法和结构能够包括的活性材料的厚度与这些当前的结构化材料中的载流子扩散长度相当或是其仅仅几倍长。因此,根据一个具体实施方式,大多数产生光子的载流子成功地传输过薄膜。这有利于载流子传输到载流子分离区域或结点,以及有利于所分离的载流子传输到接收电极。
在本发明一个可替代实施方式中,本发明方法和结构通过使用进一步最小化和/或降低载流子传输到达载流子分离区域的距离的结构设计能够增加电荷分离的可能性。这通过创造位于整个膜内的“纳米-结点”以至于所有的载流子都基本处于电荷分离的纳米结点的扩散长度内而得以实现。按照这种方法,将近所有的光生载流子能够传输到纳米结点的短距离而经历电荷分离。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
电荷分离的某些机理已经进行了描述。在传统p-n型结中,在消耗的p-n结区域产生的电场分离处于该区域扩散长度内的载流子。p-n结的变体是销型结(pin junction)。在这种情况下,在p-型材料和n-型材料之间本征区的插入产生了发生电荷分离的更大势垒区。这些类型的结都典型地用于由传统大尺寸半导体材料构成的传统器件中,其是有限的。
对于纳米结构化材料,量子受限一般导致能级少于带类而多于分子类,同时伴随电子波函数的定域化。在这种情况下,代替作为大尺寸半导体内基于导带最小值(CBM)或价带最大值(VBM)的描述,相关能级可以更合适地描述为最低占据分子轨道(LUMO)和最高占据分子轨道(HOMO),犹如分子物质中那样。根据一个具体实施方式,电荷分离发生在两种具有不同电子亲和势(这通过LUMO能级的不同能位表示)或具有不同电离势(通过HOMO能级的不同能位)的纳米结构化材料之间,并由向最低自由能的内驱力驱动。在一个优选实施方式中,第一纳米结构化材料比与第一纳米结构化材料共享界面的第二纳米结构化材料具有较低的电子亲和势和较低的电离势,这此前已经进行了解释。换句话说,一种纳米结构化材料的HOMO-LUMO能级是关于第二种纳米结构化材料的HOMO-LUMO能级,以类似于II型半导体杂结的方式发生“摆动的”。在这种情况下,根据一个具体实施方式,在材料中产生的载流子进行电荷分布分离或排布,以至于电子或负电荷载流子位于最高电子亲和势或较低能量的LUMO能级的纳米结构化材料中,而空穴或正电荷载流子位于具有最低电离势或较高能量的HOMO能级的纳米结构化材料中。
根据一个具体实施方式,另一个考虑因素是两种材料的HOMO能级之间的能量补偿和LUMO能级之间的能量补偿。对于为了实现快速有效的电荷分离,能量补偿经常必须足够大。如果电荷分离的动力学或速率不足够迅速,则载流子再融合或捕获或许占据主导,而导致发生降低能量转换效率的损耗过程。另一方面,如果能量补偿太大,也会殃及到能量转换效率。因此,能量补偿经常必须进行优化和/或改进。
在纳米结构化材料中的量子受限提供了一种拓展HOMO和LUMO能级而由此优化和/或改进能量补偿的方便有效的方法。降低纳米结构化材料的特征尺寸(例如降低量子点的直径)就能近似地根据方程(1)增加能带,Eg。具有较小特征尺寸的Eg的升高,是由于LUMO能级的能量升高和HOMO能级的能量降低所致。因此,通过尺寸设计,调节纳米结构化材料的HOMO和LUMO能级的能量而优化能量补偿。
根据一个或多个实施方式,本发明方法和结构包括合适的和/或所需的材料组或对的选择,其中通过其整体性能或通过它们的纳米结构化性能的尺寸设计,对于有效电荷分离,材料对之间的能量补偿能够得到优化和/或改进。根据一个具体实施方式,本发明方法和结构包括用第一组材料与第二组材料的组合或配对。在一个具体实施方式中,第一组包括选自大尺寸形式的CuO,FeO和Cu2S,以及纳米结构化形式的Si,Ge,Si/Ge合金,CuO,FeO和Cu2S。在一个具体实施方式中,第二组包括诸如大尺寸形式或纳米结构化形式的ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3,NiO,Cu2O,CuI,CuPc,ZnPc和CuSCN。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式,具有一种或多种在整个膜中产生按照以上描述的纳米-结的方法。在一个具体实施方式中,本发明方法形成了两种或多种涉及到产生光生伏打效应的材料之间的纳米结构化形态。作为一个实例,这种方法组合/或混合了两种或多种纳米级的纳米结构化材料的纳米粒子而形成纳米复合物膜。具有按照上述的合适能量学的不同材料的纳米粒子之间的界面形成这种纳米-结,其中许多定位于整个纳米复合物膜中。纳米粒子也能够是以下任何形状:球状、椭圆形、棒状、管状、带状、环状、片状等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中,本发明方法和结构也能形成而克服的限制是载流子传输并不尽可能地有效,而依赖于由一种纳米粒子到另一种纳米粒子的无效跳跃传输的程度。作为一个实例,本发明方法和结构提供用于提高接触或纳米粒子之间的界面区域而即使不能克服所有的这些限制也能克服许多限制。在一个具体实施方式中,本发明方法能够包括烧结所得到的纳米粒子膜的工艺方法,这个工艺过程能够在显著低于熔点的温度下进行,以至于组成组分的纳米粒子进行更多的连接,并具有一个较大界面区域。根据一个具体实施方式的另一方法包括向膜施加力(例如压力),这也能实现烧结类似的结果。根据本发明的方法,热和压力也能组合应用而在更温和的条件下实现所需的形态。这些方法通过提供更大界面区域和更空间延伸的纳米结构而增加了接触,这由此能够实现更有效的载流子传输和更高的载流子迁移率。另外,通过控制烧结条件和/或压力条件,载流子迁移率能够被设计成所需的值。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
显著改进载流子传输的另一种方法是使用更延伸的纳米粒子,例如由其他纳米粒子的空间延伸。在一个具体实施方式中,延伸的纳米粒子和/或纳米结构能够包括但不限于那些主要定向于所需载流子传输方向的纳米柱、纳米管等,该方向经常垂直于膜表面,理想地足够长,以延伸接近通过膜厚度。这些延伸的纳米结构能够使载流子有效传输通过单个空间延伸的纳米结构,由此很大程度上消除了跳跃传输的需要。而且,延伸的纳米结构的界面和如上所描述的具有合适能量学的其他材料,形成了纳米-结,其能够存在于整个膜中。这种纳米复合物的其他材料也能够是通过烧结和/或通过施加压力而实现主要连接的延伸纳米结构和/或纳米粒子。因此,延伸纳米结构显著地改进了载流子传输,尤其是向接收电极的传输。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同,其它好处也可实现。也就是,这些方法中一种或多种产生位于膜内每几个纳米的纳米-结的附加优点是增强的吸收。纳米结构化形态散射光,并提供通过吸收剂的多个通道,根本上实现有效的更大光学密度或吸收。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在另一实施方式中,吸收剂材料的吸收系数足够大,以至于所需吸收基本上所有的太阳光的膜厚度,与载流子扩散长度相当或是其几倍大。在该实施方式中,整个膜中的纳米-结可以是不必要的。膜薄至足以容许从膜一侧到另一侧通过电极接收的有效载流子传输。为了实现这一点,吸收剂材料的吸收系数对于尽可能多的太阳光谱范围内的光应该为约104cm-1或105cm-1或更大。这种材料的实例包括纳米结构化Si,Ge,Si/Ge合金,CuO,FeO,Cu2S,Cu2O,FeS2,SnS,SnS2,ZnS,FeSi2等。在该实施方式中,本发明器件包括具有纳米复合物材料之间界面的最低纳米结构化的简单双层膜。据据一个具体实施方式的这种方法和结构由基本上以接收电极夹层的双层纳米复合物组成。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
本发明的另一个实施方式,改进了此前描述的PV器件实施方式即使不是所有的也是许多性能,包括载流子闭锁材料,其阻止载流子向错误的电极传输。载流子闭锁材料能够放置于以上描述的光活性纳米复合物材料的合适一侧。空穴闭锁层放置于光活性纳米复合物和电子接收电极之间。电子闭锁层放置于光活性纳米复合物和空穴接收电极之间。这就提高了载流子接收的不对称性,这就改进了PV性能如增加了Voc。要么之一要么两种载流子闭锁层都能够使用。影响载流子闭锁的势垒能够通过按照以上描述转换LUMO和HOMO能级的量子尺寸效应而进行设计。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中,载流子闭锁层也传输合适的载流子,即空穴闭锁层也传输电子,而由此形成电子传输空穴闭锁材料(ETHBM),而电子闭锁层也传输空穴,而由此形成空穴传输电子闭锁材料(HTEBM)。适合以上描述实施方式的ETHBM实例包括但不限于ZnO,TiO2,SnO2,WO3,Fe2O3等。适合以上描述实施方式的HTEBM实例包括但不限于NiO,Cu2O,CuI,CuPc,ZnPc,CuSCN等。当然,也能够有其他变体、修改和替代。
在另一实施方式中,载流子闭锁和/或载流子传输层也起到缓冲层的作用,阻止了不需要的材料扩散如金属从器件中的电极或其它材料穿过器件进入器件的其他区域。在一个实施方式中,载流子闭锁和/或载流子传输层也起到减轻器件的电短路或分流的缓冲层作用。这样,在大多数优选实施方式中,载流子闭锁/传输材料起着多个作用:传输载流子,闭锁不需要的载流子,阻止材料通过器件的扩散作用,以及减轻通过器件的电短路或分流。
而且,以上在本发明的各个实施方式中描述或选择的所有材料,都能够人工合成和加工成采用包括溶液合成、电化学合成、电泳、溶胶-凝胶处理、刮粉刀刮制、喷墨打印、浸渍等溶液技术的低成本加工方法形成的PV所需薄膜或其他结构。
另外,以上在本发明的各个实施方式中描述或选择的所有材料,都是相对无毒性的、稳定的,在地球地壳层内充足供应地存在。
应该理解到,此处描述的实施例和实施方式仅仅出于举例说明的目的,各种修改或变化对本技术领域的普通技术员来说是显而易见的,也将包括在本发明申请的精神和范围以及附加权利要求的范围内。其他实施例的更详细的细节能够在本申请和以下更具体的内容中找到。