CN101952970A - 纳米结构有机太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

描述了具有形成图案化p-n结的至少一个电子受体层和至少一个电子供体层的太阳能电池。电子受体层可通过在模板与电极层之间图案化可成形N型材料、然后固化该可成形N型材料来形成。

Description

纳米结构有机太阳能电池
背景信息
纳米制造包括制造具有100纳米或更小量级的特征的非常小的结构。纳米制造已经具有相当大的影响力的一个应用在于集成电路加工领域。半导体加工产业继续争取更大生产率同时增多在衬底上形成的每单位面积的电路，因此纳米制造变得越来越重要。纳米制造提供更好的工艺控制，同时允许所形成的结构的最小特征尺寸继续减小。已经采用纳米制造的其它发展领域包括生物技术、光技术、机械系统等。
当今使用的一种示例性的纳米制造技术通常称为压印光刻。示例性的压印光刻工艺在诸如美国专利公开No.2004/0065976、美国专利公开No.2004/0065252以及美国专利No.6,936,194之类的多个专利公开中进行了详细描述，以上所有专利通过引用结合于此。
在上述美国专利申请公开和美国专利中的每一个中公开的压印光刻技术包括在可成形(可聚合)层中形成凹凸图案，并将对应于该凹凸图案的图案转移到下面的衬底中。该衬底可耦合至移动平台，以获得期望定位从而便于图案化过程。该图案化过程使用与衬底分隔开的模板和涂在该模板与该衬底之间的可成形液体。该可成形液体被固化以形成具有与接触可成形液体的模板表面的形状一致的图案的硬层。在固化之后，模板与硬层分开，从而模板和衬底分开。然后对衬底和固化层进行另外的加工，以将对应于固化层中的图案的凹凸图案转移到衬底中。
附图简述
因此，通过参照附图中示出的实施例而提供的对本发明的实施例的描述，能更详细地理解本发明。然而，应注意附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应认为是对范围的限制。
图1示出了根据本发明一实施例的光刻系统的简化侧视图。
图2示出其上定位有图案化层的图1中所示衬底的简化侧视图。
图3示出示例性太阳能电池设计的简化侧视图。
图4示出另一示例性太阳能电池设计的简化侧视图。
图5A示出具有图案化p-n结的示例性太阳能电池设计的简化侧视图。
图5B示出具有图案化p-n结的另一示例性太阳能电池设计的简化侧视图。
图6示出示例性P-N叠层设计的截面图。
图7示出另一示例性P-N叠层设计的截面图。
图8A示出具有多层和锥形结构的另一示例性太阳能电池设计的简化侧视图。
图8B示出图8A中示出的锥形结构的放大图。
图9A示出具有多层的示例性P-N叠层设计的简化侧视图。
图9B示出图9A中示出的P-N叠层设计的俯视图。
图10-16示出用于形成具有多个层的太阳能电池的示例性方法。
图17-21示出用于形成具有多个层的太阳能电池的另一示例性方法。
图22-25示出由多层衬底形成的示例性N层构造的简化侧视图。
详细描述
参照附图，尤其参照图1，其中示出了用于在衬底12上形成凹凸图案的光刻系统10。衬底12可耦合至衬底卡盘14。如图所示，衬底卡盘14是真空卡盘。然而，衬底卡盘14可以是任何卡盘，包括但不限于真空型、扣针型、凹槽型、静电型、电磁型等等。示例性的卡盘在美国专利No.6,873,087中进行了描述，该专利通过引用结合于此。
衬底12和衬底卡盘14可进一步由平台16支承。平台16可提供沿x、y和z轴的运动。平台16、衬底12以及衬底卡盘14还可定位在基座(未示出)上。
模板18与衬底12分隔开。模板18可包括台面20，该台面20从模板18向衬底12延伸，且台面20上具有图案化表面22。此外，台面20可被称为模具20。或者，模板18可形成为不具有台面20。
模板18和/或模具20可由包括但不限于以下材料形成：熔融石英、石英、硅、有机聚合物、硅氧烷聚合物、硼硅玻璃、碳氟聚合物、金属以及硬化蓝宝石等。如图所示，图案化表面22包括由多个分开凹部24和/或凸部26所限定的特征，但本发明的实施例不限于此类构造。图案化表面22可限定任何原始图案，该原始图案形成要在衬底12上形成的图案的基础。
模板18可耦合至卡盘28。卡盘28可配置为但不限于真空型、扣针型、凹槽型、静电型、电磁型和/或其他相似的卡盘类型。示例性的卡盘在美国专利No.6,873,087中进一步进行了描述，该专利通过引用结合于此。此外，卡盘28可耦合至压印头30，以使卡盘28和/或压印头30可配置成便于模板18的移动。
系统10还可包括流体分配系统32。流体分配系统32可用于在衬底12上沉积可聚合材料34。可使用诸如滴液法、旋涂法、浸涂法、化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)、薄膜沉积、厚膜沉积等等之类技术在衬底12上定位可聚合材料34。在根据设计考虑在模具20与衬底12之间限定期望体积之前和/或之后，可聚合材料34可被设置在衬底12上。可聚合材料34可包括如美国专利No.7,157,036和美国专利公开No.2005/0187339中所述的单体混合物，上述所有申请通过引用结合于此。
参照图1和图2，系统10还包括能量源38，该源38耦合以沿路径42引导能量40。压印头30和平台16可被配置成将模板18和衬底12定位成在路径42之下。系统10可由处理器54管理，该处理器54与平台16、压印头30、流体分配系统32和/或源38通信，且可在存储器56中存储的计算机可读程序上运行。
压印头30、平台16或这二者改变模具20与衬底12之间的距离，以在模具20与衬底12之间限定由可聚合材料34填充的期望体积。例如，压印头30可对模板18施加力，以使模具20接触可聚合材料34。在用可聚合材料34填充期望体积之后，源38产生能量40(例如紫外辐射)，以使得可聚合材料34固化和/或交联而与衬底12的表面44和图案化表面22的形状一致，从而在衬底12上限定图案化层46。图案化层46可包括残留层48和示为凸部50和凹部52的多个特征，其中凸部50具有厚度t1而残留层具有厚度t2。应注意，可聚合材料34的固化和/或交联可通过其他方法进行，包括但不限于暴露于带电微粒、温度变化、蒸发、和/或其他相似方法。
上述系统和过程还可用于美国专利No.6,932,934、美国专利公开No.2004/0124566、美国专利公开No.2004/0188381以及美国专利公开No.2004/0211754中提到的压印光刻工艺和系统，以上专利中的每一个通过引用结合于此。
有机太阳能电池
低成本纳米图案化的可行性可提供显著提高有机光伏材料效率的有机太阳能电池。若干资料表明，以合理成本制造纳米结构材料的能力可显著提高下一代太阳能电池的效率。参见M.Jacoby，“汲取太阳：基础化学驱动新的低成本太阳能电池的开发(Tapping the Sun：Basic chemistry drivesdevelopment of new low-cost solar cells)”，化学和工程新闻(Chemical &Engineering News)，2007年8月27日，Vol.85，No.35，第16-22页；I.Gur等人，“基于超支化半导体纳米晶体的具有规定纳米级形态的混合太阳能电池(Hybrid Solar Cells with Prescribed Nanoscale Morphologies Based onHyperbranched Sem iconductor Nanocrystals)”，纳米快报(Nano Lett)，7(2)，第409-414页，2007年；G.W.Crabtree等人，“太阳能转换(Solar EnergyConversion)”，今日物理(Physics Today)，2007年3月，第37-42页；A.J.Nozik，“量子点中的激子倍增和驰豫动力学：对超高效率太阳光子转换的应用(Exciton Multiplication and Relaxation Dynamics in QuantumDots：Applications to Ultrahigh-Efficiency Solar Photon Conversion)”，无机化学(Inorg.Chem.)，2005，44，第6893-6899页；以及M.Law等人，“纳米线染料敏化的太阳能电池(Nanowire dye-sensitized solar cells)”，自然材料(Nature Materials)，4，455，2005，以上文献通过引用结合于此。
含有机物的非硅基太阳能电池一般可分成两类：有机太阳能电池和无机/有机混合电池。在有机太阳能电池中，N型材料可包括但不限于有机改性球壳状碳分子、涂敷在纳米晶体上的有机采光染料(photo harvested dyes)(例如TiO2、ZnO)等等。例如，在由有机改性球壳状碳分子形成N型材料时，太阳能电池可利用由交联聚合物形成的P型材料通过供体—受体机制来构造。在由有机光子采集染料形成N型材料时，染料敏化纳米晶体(例如TiO2、ZnO、TiO2外涂ZnO)可与电解液结合使用以形成太阳能电池(也称为
Figure GPA00001143054500051
太阳能电池)。
在无机/有机混合电池中，P型材料可由有机交联聚合物形成，而N型材料可由无机材料形成，这些无机材料包括但不限于TiO2、CdSe、CdTe以及其他相似的半导体材料。
图3示出具有有机光伏(PV)材料的示例性太阳能电池设计60的简化图。一般而言，太阳能电池60可包括第一电极层62、电子受体层64、电子供体层66以及第二电极层68。太阳能电池设计60可包括由电子供体层66毗邻电子受体层64而形成的P-N结70。
图4示出另一示例性太阳能电池设计60a。该太阳能电池设计60a可包括第一电极层62a、混合PV层65a以及第二电极层68a。该设计的部件在I.Gur等人的“基于超支化半导体纳米晶体的具有规定纳米级形态的混合太阳能电池(Hybrid Solar Cells with Prescribed Nanoscale Morphologies Basedon Hyperbranched Semiconductor Nanocrystals)”，纳米快报(Nano Lett)，7(2)，第409-414页，2007年中进一步进行了描述，该文献通过引用结合于此。
太阳能电池设计60a的第一电极层62a和第二电极层68a在设计上可与太阳能电池设计60的第一电极层62和第二电极层68相似。混合PV层65a可由与N型无机纳米微粒混合的PV材料形成。
另一示例性太阳能电池设计可包括使用染料敏化ZnO纳米线。该设计在M.Law等人的“纳米线染料敏化的太阳能电池(Nanowire dye-sensitizedsolar cells)”，自然材料(Nature Materials)，4，455，2005中进行了进一步描述，该文献一般基于B.O’Regan等人的“基于染料敏化的胶质TiO2膜的低成本、高效率的太阳能电池(A low-cost，high-efficiency solar cellbased on dye-sensitized colloidal TiO2 films)”(自然353，737-740(1991))中进一步描述的电池，这两篇文献均通过引用结合于此。
太阳能电池的最优和次优设计
通过入射光子而在PV材料中产生的激子(电子/空穴对)可具有扩散长度L。例如，激子可具有约为5到30nm的扩散长度L。参照图3，电子受体层64可被图案化以产生图案化的P-N结70，其中图案化结构接近扩散长度L，从而提供提高的激子捕获效率。例如，图3的设计可改成图5A和/或5B中所示设计，以提高捕获效率。
图5A和5B示出了具有图案化p-n结70a的示例性太阳能电池60b和60c的简化示图。一般，图案化p-n结70a设置在图5A中的电子受体层64b与电子供体层66b之间，以及图5B中的电子受体层64c与电子供体层66c之间。图5A和5B包括相似的特征，其中图5A具有毗邻第一电极层62b的电子供体层66b，而图5B具有毗邻第一电极层62c的电子供体层66c。为简单起见，下文描述图5A中的太阳能电池60b，然而，本领域技术人员将能理解与太阳能电池60c的相似性与区别。
参照图5A，为了形成太阳能电池60b，可将电子供体层66b压印在第二电极层68b上。然后可将电子受体层64b压印在电子供体层66b上。或者，形成太阳能电池60b可包括在第一电极层62b上压印电子受体层64b和在电子受体层64b上沉积电子供体层66b。示例性的压印工艺在以下文献中进行了进一步描述：I.McMackin等人的“分步闪光压印光刻的图案化晶片缺陷密度分析(Patterned Wafer Defect Density Analysis of Step andFlash Imprint Lithography)”，正在审稿，真空科学与技术B：微电子学与纳米结构；S.Y.Chou等人的“纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography)”，J.Vac.Sci.Technol.B 14(6)，1996；H.Tan等人的“辊纳米压印光刻(Rollernanoimprint lithography)”，J.Vac.Sci.Technol.B 16(6)，1998；B.D.Gates等人的“纳米制造的新方法：模制、印刷以及其他技术(New Approaches toNanofabrication：Molding，Printing，and Other Techniques)”，Chem.Rev.，105，2005；S.Y.Chou等人的“光刻引起的周期性聚合物微柱阵列的自组装(Lithographically induced self-assembly of periodic polymer micropillararrays)”，J.Vac.Sci.Technol.B，17(6)，1999；S.Y.Chou等人的“硅中的纳米结构的超快和直接压印(Ultrafast and direct imprint of nanostructures insilicon)”，自然，417，2002；K.H.Hsu等人的“利用固态超离子导体印模的电化学压印(Electrochemical Nanoimprinting with Solid-State SuperionicStamps)”，Nano Lett.，7(2)，2007；以及W.Srituravanich等人的“等离子体振子纳米光刻(Plasmonic Nanolithography)”，Nano Lett.，4(6)，2004，以上全部文献通过引用结合于此。
第一电极层62b和第二电极层68b一般是导电的，而且可由包括但不限于氧化铟锡、铝等材料形成。第一电极层62b的至少一部分可基本透明。此外，第一电极层62b可形成为金属网。该金属网可增大太阳能电池60b暴露于能量(例如太阳)的总面积。可利用诸如K.H.Hsu等人的“利用固态超离子导体印模的电化学压印(Electrochemical Nanoimprinting withSolid-State Superionic Stamps)”，Nano Lett.，7(2)，2007中描述之类的工艺将金属直接图案化。
该电子受体层64b可由包括但不限于球壳状碳分子衍生物等N型材料形成。球壳状碳分子可被有机地改性以附连诸如噻吩之类的官能团以便电聚合化。此外，球壳状碳分子可被改性以附连包括但不限于丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、硫醇、乙烯基以及环氧树脂的官能团，这些官能团在受UV照射和/或受热时会进行交联。此外，可通过添加少量可交联接合材料来压印球壳状碳分子衍生物。
电子供体层66b可由包括但不限于聚噻吩衍生物(例如聚3-己基噻吩)、聚亚苯基-亚乙烯基衍生物(例如MDMO-PPV)、聚—(噻吩—吡咯—噻吩—苯并噻二唑)衍生物等等P型材料。一般而言，这些聚合物的共轭主链可不变。然而，支链衍生物可改变以纳入在受UV照射和/或受热时能进行交联反应的活性官能团，这些官能团包括但不限于丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、硫醇、乙烯基以及环氧树脂。参见K.M.Coakley等人的“共轭聚合物光伏电池(Conjugated Polymer Photovoltaic Cells)”(ACS出版物，2004，16，第4533-4542页)，该文献通过引用结合于此。添加包括但不限于硒化镉和碲化镉、具有或不具有TiO2涂层的ZnO纳米线等等的半导体纳米晶体可进一步提高PV材料的效率。
可利用如T.Shimoda等人的“经溶液处理的硅膜和晶体管(Solution-processed silicon films and transistors)”(自然，2006，440，第783-786页)中所述的喷墨技术来沉积球壳状碳分子衍生物和多晶硅，该文献通过引用结合于此。利用喷墨技术沉积可允许低成本、非真空沉积。利用牺牲抗蚀剂和反应离子蚀刻(RIE)的硅基光刻工艺可用于蚀刻经掺杂的多晶硅型材料。此外，包括反应离子蚀刻的硅基光刻工艺可允许使用利用中间硬掩模(例如SiN)图案化的高长宽比柱。
还可添加染料以提高光子的宽带吸收，并提供约1-3％范围内的效率。参见M.Jacoby，“汲取太阳：基础化学驱动新的低成本太阳能电池的开发(Tapping the Sun：Basic chemistry drives development of new low-cost solarcells)”，化学和工程新闻(Chemical & Engineering News)，2007年8月27日，Vol.85，No.35，第16-22页，该文献通过引用结合于此。
电子供体层66b可具有厚度tPV。例如，电子供体层66b的厚度tPV约为100-500nm。电子受体层64b可被图案化以具有长度为p的一个或多个柱72。图5A示出具有多个柱72的电子受体层64b。柱72的截面可以是正方形、圆形、矩形或任何其他奇异形状。例如，图6示出具有正方形截面的柱72，而图7示出具有圆形截面的柱72。毗邻柱72可形成各具有长度s的一个或多个凹部74。
参照图5A和6，电子供体层66b中的体积减少可以是柱72的长度p的值和凹部74的长度s的值的函数。例如，如果柱72的长度p基本等于凹部74的长度s，则电子供体层66b的体积会因为图案化电子受体层64b与电子供体层66b的界面(即图案化P-N结70a)而减少25％。
在一个实施例中，凹部74可设置为具有长度s＝2L，而柱72可设置为具有长度p＜2L，其中L是电子供体层66b中产生的电子的扩散长度。对于给定厚度tPV的电子供体层66b，柱72的长度p的减少可提供大体积的电子供体层66b。例如，如果L＝10nm，则s＝20nm且p＜20nm。在厚度tPV为200nm的情况下，柱72可具有20∶1长宽比。然而，20∶1长宽比由于机械稳定性可能难以可靠和便宜地制造。
可实现次优设计。例如，如果扩散长度L约为10nm，则柱72的长度p可设计为约50nm，以及凹部74的长度s设定为约100nm。对于200nm的厚度tPV，柱72可具有约4∶1长宽比。此外，与最优设计中的25％相比，电子供体层66b减少的体积约为8.7％。
然而，次优设计可能具有较低捕获效率。同样，次优设计可利用电子供体层66b中的混合PV材料来实现，其中电子供体层66b可包含与无机纳米杆混合的共轭聚合物，如I.Gur等人的“基于超支化半导体纳米晶体的具有规定纳米级形态的混合太阳能电池(Hybrid Solar Cells with PrescribedNanoscale Morphologies Based on Hyperbranched SemiconductorNanocrystals)”(纳米快报(Nano Lett)，7(2)，第407-414页，2007年)和W.U.Huynh等人的“CdSe纳米晶体杆/聚(3-己基噻吩)复合光伏器件(CdSe nanocrystal Rods/Poly(3-hexylithiophene)Composite PhotovoltaicDevices)”(Adv.Mater.，1999，11(11)第923-927页)中所描述的那样。示例性的混合材料包括但不限于5nm直径的CdSe纳米晶体和Meh-PPv聚(2-甲氧基-5-(2’-乙基—己氧基)-p-亚苯基亚乙烯基)、乙基8×13nm细长CdSe纳米晶体和区域规则型聚(3-己基噻吩)(P3HT)的混合物。此类混合材料可显著克服因背离以上讨论的图案化P-N结70a的最优几何形状而丧失的激子捕获可能。
ZnO图案化点
ZnO可利用点而不是ZnO纳米微粒来图案化。相比于Coakley的“共轭聚合物光伏电池(Conjugated Polymer Photovoltaic Cells)”(Chem.Mater.，ACS出版物，2004，16，第4533-4542页)中进一步描述的ZnO纳米微粒，图案化可改善布置和均匀性。例如，图案化之后可设置反应离子蚀刻，如Zhu的“对r-蓝宝石衬底上的ZnO和Mgx Zn1-xO膜的基于SiCl4的反应离子蚀刻(SiCl4-Based Reactive Ion Etching of ZnO and Mgx Zn1-xO Films onr-Sapphire Substrates)”(J.of Electronic Mater.，2006，35：4)中所描述的那样，该文献通过引用结合于此。除尺寸控制之外，利用反应离子蚀刻的图案化可提供显著精确的布置。
三维图案化
图8A和8B示出具有锥形结构76和/或多层结构78的示例性太阳能电池设计60d和60e。锥形结构76和/或多层结构78可增强高长宽比结构的机械稳定性。此类结构相对于最大激子捕获而言可能是次优的；然而，当结合混合材料(如本文所讨论的)使用时，在厚PV膜的情况下会产生较高效率的太阳能电池60。
如图8B所示，锥形结构76的设计可基本为锥形。一般而言，太阳光子的反射在锐入射角下会增强。这可能使光子采取通过电子供体层66d的较长路径，从而光子被吸收的可能性增大。
此外，空气界面处的材料可帮助通过电子供体层66b循环光子。例如，如上所讨论，空气界面处的材料可包括但不限于球壳状碳分子衍生物、ITO、共轭聚合物和TiO2。这些材料中的每一种包括从约1.5(例如聚合物)到大于约2(例如球壳状碳分子)的范围的高折射率。同样，以超过临界角的倾角接近空气界面的光会内反射。如果第一电极层62d是金属接触网，则这可帮助将光子通过电子供体层66d循环回来。
双图案化
图9A和9B示出具有多个电子受体层64e和64f的太阳能电池设计60e。各个电子受体层64e和64f可包括柱72。柱72可突入电子供体层66e中，从而在电子供体层66e与电子受体层64e和64f之间形成多个图案化p-n结70a。电子受体层64e和64f可通过焊盘80连接。焊盘80可由N型材料形成。此外，焊盘80可由与电子受体层64e和/或64f相似的材料形成。
第一电极层62e可毗邻电子供体层66e。第一电极层62e还可与电子受体层64e和/或64f隔离。
太阳能电池设计60e可利用双图案化步骤进行图案化。双图案化步骤可在名义上使图案化p-n结70a的面积和电子供体层66e的厚度tPV翻倍。利用压印，薄PV材料膜(例如＜10nm)可保留，且可防止焊盘80与其下方的电子受体层64e的柱72之间的直接接触。薄PV材料膜甚至可进一步减薄(例如＜5nm)，以提供电子受体层64e与电子受体层64f之间的导电。
利用多个层的太阳能电池构造
图10-16示出了利用N型材料和P型材料的多个层的太阳能电池60g的示例性构造的简化侧视图。在提供N型材料和P型材料的多个层时，不同层可由相似材料和/或不同材料形成。例如，如本领域众所周知地，P型材料的吸收范围在太阳谱上变化。同样，通过使用由不同P型材料形成的层，太阳能电池60g能在太阳谱上提供更大的吸收范围。例如，电子供体层66g可由包括吸收范围在约300-600λ/nm之间的P3HT的材料形成。为在太阳谱上提供更大的吸收范围，电子供体层66h可由包括吸收范围在约600-700λ/nm之间的MDMO-PPV的材料形成；因此，太阳能电池60g能提供约300-700λ/nm的吸收范围。
参照图10，电子受体层64g可在第一电极层62g上形成。电子受体层64g可通过包括但不限于压印光刻、光刻(包括G线、I线、248nm、193nm、157nm以及13.2-13.4nm的多个波长)、干涉光刻、接触光刻、电子束光刻、x射线光刻、离子束光刻以及原子束光刻的技术来形成。例如，电子受体层64g可利用本文以及美国专利No.6,932,934、美国专利公开No.2004/0124566、美国专利公开No.2004/0188381以及美国专利公开No.2004/0211722中描述的压印光刻来形成，以上所有专利通过引用结合于此。电子受体层64g可通过模板18a图案化，以提供柱72g和残留层82g。柱72g可以是纳米级的。柱72g之间的凹部74g可以是扩散长度L的量级(例如5-10nm)。
参照图11，电子供体层66g可定位在电子受体层64g的柱72g上。这可通过包括但不限于旋压技术、接触平坦化等方法来实现。
参照图12，可采用毯式蚀刻(blanket etch)来去除电子供体层66g的部分。该毯式蚀刻可以是湿法蚀刻或干法蚀刻。在另一实施例中，可使用化学机械抛光/平坦化来去除电子供体层66g的部分。去除电子供体层66g的部分可提供冠面(crown surface)86a。冠面86a一般包括各个柱72g的至少一部分的表面88和电子供体层66g的至少一部分的表面90。
参照图13，可提供第二电子受体层64h。第二电子受体层64h可图案化成具有柱72h和残留层82h，从而形成凹部74h。柱72h和凹部74h可以是扩散长度L量级即5-10nm，如上所述。
第二电子受体层64h可通过模板18b利用压印光刻或其他方法形成，如上所述。模板18b可包括图案化区域95和凹陷区域93，其中图案化区域95包围凹陷区域93。由于模板18b的凹陷区域93的存在，第二电子受体层64h会不连续。例如，由于第二电子受体层64h的材料、模板18b和/或电子受体层64g中的任一个之间的毛细作用力，第二电子受体层64h可能不与凹陷区域93重叠，如美国专利公开No.2005/0061773中进一步描述的那样，该专利通过引用结合于此。一般而言，第二电子受体层64h的不连续部分会导致因为缺少N型材料的基质而引起的电子捕获的微小损耗。根据设计考虑，电子受体层64g也可形成为不连续。
参照图14，第二电子供体层66h可定位在柱72h上。第二电子供体层66h可采用以上关于第一电子供体层66g所述技术中的任一种来形成。
参照图15，可采用毯式蚀刻来去除第二电子供体层66h的部分以提供冠面86b。冠面86b由各个柱72h的表面88b的至少一部分与第二电子供体层66h的表面88b的至少一部分限定。该毯式蚀刻可以是湿法蚀刻或干法蚀刻。在另一实施例中，可采用化学机械抛光/平坦化来去除第二电子供体层66h的至少一部分以提供冠面86b。第二电子受体层64h和电子受体层64g可与电极层62g电连通。此外，第二电子供体层66h可与电子供体层66g电连通，而且这二者可与电极96电连通。
可对太阳能电池60g进行与上述基本相同的工艺，以形成附加的电子供体层和电子受体层。例如，在图16中，示出了三个电子受体层64g-i和三个电子供体层66g-i；然而，本领域技术人员应当理解，根据设计考虑，可形成任意数量的层。
图17-21示出利用多层的另一太阳能电池60j的示例性构造的简化侧视图。
参照图17，电子受体层64j可在电极层62j上图案化。电子受体层64j可包括柱72j和残留层82j。柱72j和残留层82j可形成凹部74j。凹部74j的长度可以是扩散长度L量级即5-10nm，如上所详述。电子受体层64j可与参照图101-6所详述的电子受体层64g基本相同，且可以基本相同的方式形成。
参照图18，电子供体层66j可通过包括但不限于化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)、旋涂以及滴液技术在电子受体层64j的至少一部分上定位。电子供体层66j可通过具有图案化区域93和凹陷区域95的模板18c进行图案化。例如，模板18c的凹陷区域95可以是微米级的。在压印期间，由于上述电子供体层66j、模板18c、电极层62j和/或电子受体层64j之间的毛细作用力，模板18c的图案化区域93和凹陷区域95可形成电子供体层66j的第一区域83和第二区域85。同样，柱72j的表面79的至少一部分可暴露，从而限定未填充区域77。
参照图19，第二电子受体层64k可定位在电子供体层66j上。第二电子受体层64k可被图案化为具有柱72k和残留层82k。第二电子受体层64k可与上述电子受体层64j基本相同，且可按照基本相同的方式形成。
第二电子受体层64k的残留层82k与电子受体层64j的残留层82j之间的间距可以是扩散长度L量级，即5-10nm。此外，第二电子受体层64k可定位在未填充区77内。因此，第二电子受体层64k可耦合至电子层64j，且这二者与电极层62j电连通。
参照图20，第二电子供体层66k可定位在柱72k上。第二电子供体层66k可类似于以上详述的电子供体层66j，且可按照基本相同的方式形成。此外，第二电子供体层66k可与电子供体层66j电连通，而且这二者可与电极96b电连通。
可对太阳能电池60j进行与上述基本相同的工艺，以形成附加的电子供体和电子受体层。例如，在图21中，示出了三个电子受体层64j-l和三个电子供体层66j-l；然而，本领域技术人员应当理解，根据设计考虑，可形成任意数量的层。
利用图案化、然后利用有源材料的共形薄涂敷的太阳能电池设计
图22-25示出由多层衬底100形成的示例性电子受体层64m的简化侧视图。一般而言，多层衬底100可由衬底层104、电极层106以及粘合层108形成。图案化层46a可通过具有主凹部24a和次凹部24b的模板18d形成。主凹部24a辅助提供具有包括凸部50a和凹部52b的特征的图案化层46a。次凹部24b辅助提供具有一个或多个间隙102的电子受体层64m。共形涂层110可沉积在图案化层46a上，而间隙102可分布成便于共形涂层110与电极层106之间的电荷转移。
如图22所示，多层衬底100可由衬底层104、电极层106以及粘合层108形成。衬底层104可由包括但不限于以下材料形成：塑料、熔融石英、石英、硅、有机聚合物、硅氧烷聚合物、硼硅玻璃、碳氟聚合物、金属、硬化蓝宝石等。衬底层104可具有厚度t3。例如，衬底层104可具有约10μm到10mm厚度。
电极层106可由包括但不限于铝、氧化铟锡等材料形成。电极层106可具有厚度t4。例如，电极层106可具有约1到100μm的厚度t4。
粘合层108可由如美国专利公开No.2007/0212494中进一步描述的粘合材料形成，该专利通过引用结合于此。粘合层108可具有厚度t5。例如，粘合层108可具有约1-10nm的厚度t5。
如图23所示，图案化层46a可通过可成形N型材料的固化和/或交联在模板18d与多层衬底100之间形成，以与多层衬底100的表面44a和模板18d的形状一致。图案化层46a可包括残留层48a和示为凸部50a和凹部52a的特征。凸部50a可具有厚度t6，而残留层可具有厚度t7。残留层可具有约10nm-500nm的厚度t7。凸部50a的间距和高度可基于最优和/或次优设计以形成柱72。例如，凸部50的厚度t6可以是50-500纳米级，且凸部50a的间距为扩散长度L量级(例如5-50nm)。
此外，图案化层46a可具有一个或多个间隙102。间隙102的大小和间隙102的数量可使间隙102不会占用超过多层衬底100总面积的1-10％。如图24所示，间隙102内的粘合层108可通过氧化步骤去除。例如，间隙102内的粘合层108可通过对图案化层46a的形状和大小无显著影响的氧化步骤去除。(例如，UV臭氧或其他等离子体工艺，或短时间暴露给诸如硫酸之类的湿法氧化工艺)。
如图25所示，共形涂层110可沉积在图案化层46a和间隙102上，以形成具有柱72的电子受体层64m。共形涂层110可由如本文所讨论的N型材料形成。可通过升华汽相沉积这样的N型材料(例如球壳状碳分子C60)。例如，可通过物理汽相沉积在室温下在真空室中在10-6托(torr)下利用C60粉末沉积此类N型材料。在另一示例中，可利用装填有商用球壳状碳分子粉末的电子束蒸发器来沉积此类N型材料(例如球壳状碳分子)。
共形涂层110可具有厚度t8。例如，共形涂层110可具有约1-10nm的厚度。如图所示，共形涂层110可通过间隙102与电极层104直接连通。
应当注意，然后可使用具有P型材料的喷墨来进一步涂敷或沉积N型共形涂层。P型材料可包括但不限于如本文所讨论的聚噻吩衍生物、聚亚苯基-亚乙烯基衍生物、聚—(噻吩—吡咯—噻吩—苯并噻二唑)衍生物等。随后可进行顶部导体的制造，以产生与图5B中相似的太阳能电池。
间隙102之间的距离和间隙102的大小可选择成不仅使器件面积的损失最少(如之前所讨论的那样)，还可解决竞争需求：使带电微粒向下电极行进的距离最少，其中该带电微粒通过激子在图案化P-N界面处的分离而产生。

Claims (23)

1.一种太阳能电池，包括：
通过在具有亚100纳米分辨率的第一模板与第一电极层之间图案化可成形N型材料并固化N型材料而形成的第一电子受体层，第一电子受体层具有多个柱和多个凹部；以及，
在第一电子受体层的至少一部分上沉积的第一电子供体层，所述第一电子供体层和所述第一电子受体层形成至少一个图案化p-n结。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，第一电子受体层的至少一个柱为锥形。
3.如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，锥形柱基本为圆锥形。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，第一电子受体层的至少一个柱由至少两层形成。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，还包括在第一电子供体层上形成的第二电极层。
6.如权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，第二电极层是金属网。
7.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，还包括：
通过在第二模板与第一电子供体层之间图案化可成形N型材料并固化N型材料而形成的第二电子受体层，第二电子受体层具有多个柱和多个凹部。
8.如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，还包括将第一电子受体层连接至第二电子受体层的由N型材料形成的焊盘。
9.如权利要求8所述的太阳能电池，其特征在于，还包括定位在焊盘与第一电子受体层之间的光伏材料层。
10.如权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于，还包括定位在焊盘与第二电子受体层之间的光伏材料层。
11.如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，第一电子供体层和第二电子供体层与第一电极层电连通。
12.如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，还包括在第二电子受体层上沉积的第二电子供体层。
13.如权利要求12所述的太阳能电池，其特征在于，第一电子供体层由具有第一吸收范围的材料形成，而第二电子供体层由具有第二吸收范围的材料形成，其中第一吸收范围与第二吸收范围不同。
14.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，第一电子受体层不连续，从而形成至少一个间隙。
15.如权利要求14所述的太阳能电池，其特征在于，第一电子受体层包括在间隙上沉积的共形涂层，从而共形涂层与第一电极层电连通。
16.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，至少一个柱进一步被限定为长度小于激子的扩散长度的约两倍。
17.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，至少一个柱进一步被限定为长度小于激子的扩散长度。
18.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，凹部与柱顺序地交替。
19.如权利要求18所述的太阳能电池，其特征在于，第一电子供体层沉积在第一电子受体层的凹部中。
20.一种太阳能电池，包括：
电子供体层；
电子受体层，其毗邻电子供体层从而形成图案化p-n结以供扩散扩散长度为L的激子，电子受体层包括：
多个柱，至少一个柱被限定为长度小于约2L；以及，
多个凹部，至少一个凹部被限定为长度约为2L。
21.一种太阳能电池，包括：
第一电极层；
第一电子受体层，所述第一电子受体层包括：
具有通过在第一模板与第一电极层之间图案化可成形N型材料并固化N型材料而形成的至少一个不连续间隙的多层衬底，多层衬底具有与多个柱顺序交替的多个凹部；以及，
在多层衬底上沉积的共形涂层，以使共形涂层与第一电极层电连通；
在第一电子受体层上和在形成于第一电子受体层中的凹部中沉积的第一电子供体层，第一电子供体层沉积以在第一电子供体层与第一电子受体层之间形成图案化p-n结；以及，
在第一电子供体层上沉积的第二电极层。
22.一种在互连的N型和P型材料之间提供电连通的多层结构，包括：
第一电极层；
由可成形N型材料形成的多个电子受体层，至少一个电子受体层通过在具有亚100纳米分辨率的第一模板与第一电极层之间图案化可成形N型材料并固化N型材料而形成，所述电子受体层具有多个柱和多个凹部；
多个电子供体层，电子供体层与电子受体层顺序交替，各个电子供体层具有在太阳谱内的吸收范围；
毗邻至少一个电子供体层定位的第二电极层。
23.如权利要求20所述的多层结构，其特征在于，至少两个电子供体层具有在所述太阳谱内的不同吸收范围。
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