CN105981117B - 用于光电子器件的图案化电极接触件 - Google Patents
用于光电子器件的图案化电极接触件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105981117B CN105981117B CN201480074943.7A CN201480074943A CN105981117B CN 105981117 B CN105981117 B CN 105981117B CN 201480074943 A CN201480074943 A CN 201480074943A CN 105981117 B CN105981117 B CN 105981117B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- microtrabeculae
- opto
- electronic device
- micro
- light
- 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.)
- Active
Links
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 36
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 20
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 8
- 206010070834 Sensitisation Diseases 0.000 claims description 7
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims description 7
- 230000008313 sensitization Effects 0.000 claims description 7
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 239000002952 polymeric resin Substances 0.000 claims 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 4
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 4
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 4
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 5-phenyl-2h-tetrazole Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=NNN=N1 MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N Methyl isobutyl ketone Chemical compound CC(C)CC(C)=O NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- WMWLMWRWZQELOS-UHFFFAOYSA-N bismuth(iii) oxide Chemical compound O=[Bi]O[Bi]=O WMWLMWRWZQELOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- SLGWESQGEUXWJQ-UHFFFAOYSA-N formaldehyde;phenol Chemical compound O=C.OC1=CC=CC=C1 SLGWESQGEUXWJQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MRNHPUHPBOKKQT-UHFFFAOYSA-N indium;tin;hydrate Chemical compound O.[In].[Sn] MRNHPUHPBOKKQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000006163 transport media Substances 0.000 description 2
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005451 FeTiO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- 229910002370 SrTiO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003466 anti-cipated effect Effects 0.000 description 1
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000012876 carrier material Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 239000011532 electronic conductor Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 229910052809 inorganic oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000004768 lowest unoccupied molecular orbital Methods 0.000 description 1
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 229920003986 novolac Polymers 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 150000002927 oxygen compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- KNCYXPMJDCCGSJ-UHFFFAOYSA-N piperidine-2,6-dione Chemical compound O=C1CCCC(=O)N1 KNCYXPMJDCCGSJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- LLHKCFNBLRBOGN-UHFFFAOYSA-N propylene glycol methyl ether acetate Chemical compound COCC(C)OC(C)=O LLHKCFNBLRBOGN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000001328 terahertz time-domain spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/209—Light trapping arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
- H10K30/35—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains comprising inorganic nanostructures, e.g. CdSe nanoparticles
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/80—Constructional details
- H10K30/87—Light-trapping means
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K50/00—Organic light-emitting devices
- H10K50/80—Constructional details
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
本发明涉及一种微柱阵列结构，包括：‑衬底；以及‑设在所述衬底的表面上的微柱阵列，其中：‑所述微柱对光基本透明，并且‑所述微柱的高度为至多500μm。本发明的微柱阵列结构可以被用于光电子器件，例如太阳能电池。
Description
技术领域
本发明涉及可用于各种光电子器件的图案化电极接触件表面。
背景技术
一般的光电子器件包括传感器和太阳能电池。关于用于实际应用的太阳能电池，可以认为在“第一代”器件中，使用了硅的厚单晶形式。
通过差异掺杂来生成p-n结，在理论上，30％的光电转换效率是可能的，而开发出的一些系统展示了达25％的效率。在最近可获得的“第二代”产品中，开发了更薄的膜(典型地，其厚度在150到180μm范围内)，该膜可以使用硅或其他半导体材料，例如碲化镉(CdTe)。这一产品有达到相似效率的潜力。薄膜的理论极限是相同的。第二代产品的另一个例子是染料敏化太阳能电池(DSC)。在“第三代”产品(其效率超过了由SQ极限定义的30％)的开发中，所研究的一种方案是使用纳米粒子半导体氧化物(典型地，二氧化钛)。另一种方案是用非常薄的层的堆叠体产生“串联”结构，这一方案原则上可以导致更高的转换效率。
各种光电子器件的示例可参考附图1到4。这些图分别示出QDLED器件(量子点发光二极管)、量子点(QD)n-p型太阳能电池、用于相机的红外光检器和QD敏化太阳能电池。
举例而言，典型的薄膜激子太阳能电池可能具有：透明的前电极和后电极，典型地，前电极涂覆有透明导电氧化物(TCO)；以及夹在前电极和后电极之间的涂覆有有机染料的氧化钛(TiO2)(纳米)粒子，其可以吸收入射光辐射，同时产生处于受激状态的电子。当电子产生时，电子可以通过半导体纳米粒子由一个电极转移到另一个电极，以占据空穴。最常见地，通过电解质，如I-/I3 -对来转移。在这样的系统中，电子或空穴在到达电极之前，可能与接触件之间的交界面上的相反电荷载流子“复合”，以致降低了光能到电流的转换效率。因此，通过纳米粒子的扩散过程与转换效率的损失有固有的关联。这一类型的问题与存在扩散受限输运问题的各种类型的光电子器件相关，例如敏化太阳能电池(基于染料，或无机纳米粒子，或薄膜半导体等等)，块状异质结有机太阳能电池，有机发光二极管(OLED)等等。
“扩散长度”Le是载流子(自由电子或空穴)在输运载流子材料中，向任意方向移动时，与相反电荷载流子复合之前能够移动的平均距离。要保持高的转换效率，载流子输运介质的厚度受到这一长度的限制。理想地，在任何器件中，扩散长度Le应大于载流子输运介质的厚度。然而，在很多情况下，例如敏化太阳能电池中，吸收体厚度T决定了作为波长的函数的光吸收的效率，并因此决定了太阳能电池器件整体的效率。在实际中，相比于光的完全吸收所要求的吸收体的厚度，载流子的扩散长度通常很小。简单而言，在太阳能电池或其他类似的光电子器件中，虽然在典型境况下，为了光的完全吸收，可能要求几百微米(μm)的光吸收材料厚度，但扩散长度更通常地是在仅一微米或几微米的量级，因而必然存在损失。
作为优化染料太阳能电池的一个应用实例，对TiO2-N3染料碘电解质器件整体的效率测量表明，优化厚度是约10微米。据报告，对于这一系统，10-12微米的厚度是优化的(这是由于扩散长度约束)，但这一数值使得600到800nm之间的吸收弱(仅由于电池的厚度，损失了光电流)。
在US 2011/0232759中，染料敏化太阳能电池被描述为包括具有微织构电子收集结构——例如镍(Ni)金属微柱——的阳极。特别地，微柱可以被排布在FTO(掺氟锡氧化物F:SnO2)玻璃导电衬底上的方形栅格中。US 2011/0232759的太阳能电池可以进一步地包括覆Pt纳米多孔阳极化氧化铝(AAO)，该阳极化氧化铝直接置于作为阴极的TiO2层上。可以认为，通过这一方式，电子和空穴输运距离将被减小。
然而，为了太阳能电池的应用，要求最小遮蔽损失下的最大光收集，而在这一方面，US 2011/0232759所提出的材料和几何结构可能不是最优的。镍(Ni)金属柱可能会造成大的遮蔽因素和太阳能电池反射损失(该损失在太阳照射角倾斜时更加显著)。此外，对于电池中的最小遮蔽(每单位面积所需柱的数量最小)，方形图案不是理想的，柱间距(柱之间的距离)明显不是根据物理约束——例如扩散长度——而设计的。相应地，认为部分柱不会带来更好的收集，而只会增加遮蔽。
发明内容
在本发明中，发明人寻求生成一个基底，该基底用于形成对于该材料和尺寸的优化微柱结构，从而在不改变给定输运介质中载流子扩散长度的情况下，降低扩散限制。
总的来说，针对需要光通过活性载流子输运介质的器件——例如太阳能电池——而言，由本发明人生成的、对光透明的电极兼容结构，可有助于降低金属纳米结构或不透明材料所导致的光吸收损耗。
进一步地，所生成的结构可以被模制为不同形状，以优化光捕捉体系(它提高效率并节约成本)的最大吸收。
所描述的优化几何形状克服了先前系统中固有的遮蔽效应。在优化配置中，微柱被设计为六边形排布，微柱间距等于活性吸收体材料的扩散长度的至多两倍。这可以降低器件中非光活性材料的容量，从而增加光敏材料的空间。
本发明的结构也可以被设计用于内部光反射，以进一步增强光吸收，类似于等离子体结构。
因此，在一方面，本发明涉及一种微柱阵列结构，包括：
-衬底；以及
-设在所述衬底的表面上的微柱阵列，
其中：
-所述微柱对光基本透明，并且
-所述微柱的高度为至多500μm.
在另一方面，本发明涉及一种包括这样的微柱阵列结构的光电子器件。
附图说明
图1到4分别示出QDLED器件(量子点发光二极管)、QD n-p型太阳能电池、用于相机的红外光检器和QD敏化太阳能电池的传统形式。
图5a示出微柱阵列的一种六边形排布示例，其中微柱具有圆形截面，截面直径为S(在保持柱的鲁棒性的同时，S应被最小化)，且微柱间距d等于扩散长度的两倍(2L)。在这一六边形排布中，每个微柱周围有六个最接近的微柱，布置使得这周围六个微柱的中心构成正六边形的顶点。
图5b示出微柱阵列示例的一部分的侧视图，其中微柱的高度是l，柱间距d是2L——此处L指活性材料中载流子的扩散长度。
图6示出微柱阵列的侧视图，其中微柱为圆锥形或金字塔形。相邻的微柱中线或相邻的峰顶之间的距离d是d，在这一示例中，d被设为等于2L。
图7示出相互交叉阵列系统示例，其中根据本发明，阳极上的微柱阵列与阴极上的微柱阵列相互交叉。
图8示出根据本发明的一种规则微柱阵列示例的扫描电子显微镜(SEM)图像，该图像在图9中以更高的清晰度示出。
具体实施方式
对于染料太阳能电池(或任何敏化太阳能电池)，为了吸收所有可见光，典型地，活性材料的厚度需有几百微米。然而，载流子(电子和空穴)不能移动这么长的距离(最大移动距离通常只有几微米甚至纳米)。因此，电极应尽可能地距离由光激发生成的载流子的生成点足够近。在例如几百微米的厚膜中，如果接触件在端部则这是不可能的。然而，在本发明中，通过使用柱状电极，这一厚度可以被提高。此处，柱间隔可以被选为与扩散长度相同的量级，甚至比扩散长度更小，因而扩散长度不再是主要问题。
根据本发明，在典型微柱阵列的产生中，收集图案可以由透明材料制备，例如环氧树脂或其它任何表现为透明、具有为随后的电极图案制品生成模的特性、并与电极材料兼容的材料。这一材料的一个示例是环氧树脂模材料，例如SU-8环氧树脂(报告于J.Micromech.Microeng.,7(1997)121)。采用掩模和光刻技术，有机树脂，例如环氧树脂，可以被模制而产生所需尺寸的柱阵列。更一般地，可以使用本领域所知的其他光致抗蚀剂有机树脂材料，例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(甲基戊二酰亚胺)(PMGI)或苯酚甲醛树脂如DNQ/酚醛清漆。在本发明使用这些材料的工艺中，也会存在光刻步骤，而模可以被用于生成图案。在本发明中使用玻璃微柱阵列也是可能的，虽然鉴于控制玻璃蚀刻的难度，这会更加困难。
在微柱阵列的生成中，可以用掩模生成图案，掩模是具有纵横比和间距值的未来微柱——例如有机树脂微柱——的负形状的图形。微柱的直径应尽可能地小。在一个总体优许的实施例中，保持微柱间距(间距值)等于或小于所要收集的载流子的扩散长度的两倍。衬底表面上微柱密度的有利范围可能会根据所使用的材料而变化。举例而言，对于N3+TiO2太阳能电池，优选地，柱间距应为约20微米。因此，表面上微柱的密度大体上会是约12个微柱/(80×40μm)2。
使用光刻技术，可以达到15/20nm的微柱直径。
在有利的实施例中，有机树脂微柱材料——例如环氧树脂模——可以在玻璃或其他支撑衬底上生成，可以涂覆有透明金属接触件，如氧化铟锡(ITO)或掺氟氧化铟(FTO)。为了太阳能电池的应用，金属接触件将是透明的。
根据本发明，关于可能的用于支撑微柱阵列的衬底材料，原则上，只要对太阳辐射透明(或基本透明)——光应由微柱织构侧到达电池，任何衬底材料都可以使用。本领域所使用的典型材料包括导电氧化物，在一些情形下包括导电塑料；也可将金属作为薄箔使用。根据本发明，玻璃也是衬底材料的一个优选实施例。
单纯微柱本身不是光活性的，虽然它们必须基本地或完全地透明(对光)。可以将微柱视为可放置光转换系统(例子可以是：ITO+染料+氧化物+电解质)的织构衬底表面。通过本发明的系统，意在容许更厚的光活性材料层的实施，并因此预期光电流(以及效率)会增强。
本发明的系统中可以使用的氧化物材料的例子包括由以下材料中选出的材料：TiO2、ZnO、SnO2、PbO、WO3、SrTiO3、BaTiO3、FeTiO3、MnTiO3、Bi2O3、Fe2O3.
本发明的系统中可以使用的染料材料的例子包括由以下材料中选出的材料：Ru535、Ru535-bisTBA、Ru 620-1H3TBA、Ru 520-DN、Ru 535-4TBA、Ru 455-PF6、Ru 470、Ru505、SQ2、萘嵌苯染料。
在本发明中，微柱的最大高度约为500μm。微柱最为适宜的最小和最大高度难以用一种通用的方式量化，因为这些值内在地取决于吸收体材料的性质和要被吸收的波长。典型地，微柱的适宜的高度将是容许在活性材料带隙(将由在LUMO(CB)能量上的活性光吸收体的吸收系数(cm-1)给出)之上完全光吸收的高度。理想地，在足够鲁棒的同时，微柱的直径应被减为最小。在一些实际的实施例中，微柱的直径可能在微米范围内，例如从0.5到50μm。纳米范围直径的微柱也是可能的，例如从10到500nm。在此上下文中，对于尖端细的锥形微柱，或其他截面形状与面积不恒定的微柱，其直径应于微柱的基部(与下方衬底的接触点)测量。
在本发明中，微柱间距不超过(使用于光电子器件中的)光活性材料扩散长度的两倍，典型地，光活性材料可以是由染料敏化的介孔氧化物。扩散长度取决于载流子的寿命和迁移率。载流子迁移率通常通过霍尔效应，用本领域已知的方法进行测量。寿命可以用超快光谱(即THz-TDS——太赫兹时域光谱)测量。如所解释的，优化微柱间距取决于在光活性材料中所用的材料的性质，因此，最适宜的范围难以用一种通用的方式量化。不过，在一些有利的实施例中，微柱间距可以在1到50μm的范围中，优选地，5到25μm。
还可以预期本发明将具有互相交叉的几何形状。也就是说，收集空穴的收集体也可以成形为具有穿过电子导体的电极突起，如图7所示。微柱可以是圆柱，或者具有圆锥形或金字塔形的形状(图6)。作为防反射覆层或者进一步地支持多重反射，后两种类型的设计也可能是有用的。
此外，在本发明的一个优选实施例中，根据本发明，可以用微柱阵列的堆叠体来产生一种“串联”结构。在堆叠体的连续层中，微柱的材料及其任何覆层材料可以彼此相同，也可以彼此不同。在“串联”结构的一个优选实施例中，连续层中的微柱将是竖直对齐的。
在本发明的实现中，可以设想结合在上文中分别陈述并标明为本发明实现中有利的、优选的、适宜的或其他适于应用的任何特征或实施例。应认为本说明书包括此处描述的特征或实施例的所有诸如此类的结合，除非这样的结合在此处被称为互相排斥的，或根据上下文明确理解为互相排斥的。
实验部分——示例
以下的实验部分实验式地例示了本发明的实现，但不应认为本发明的范围限于以下的具体示例。
根据一个实施例，以下的方案被用于制备一种微柱结构。此处，微柱都是原单片SU-8环氧树脂块的部分，柱间的空隙在工艺中被移除。这一示例工艺的步骤如下：
1-衬底玻璃片清洗：(蒸馏水+丙酮+异丙酮)
2-堆叠体(SU 8)涂敷：1ml/inch2堆叠体沉积，而后旋转配方(500rpm(10s)/加速度100rpm/s+2000rpm(30s)/加速度200rpm/s)。用刀除去边缘上的多余堆叠体。
3-软性烘烤处理：热板(90℃)上，3.5min(分钟)。
4-曝光：140mJ/cm2UV光(>350nm)。对于所用的光刻机，曝光10s。
5-后烘烤：热板(90℃)上，3.5min
6-显影：衬底+曝光后的堆叠体在SU-8显影剂(MICRO-CHEM)中浸泡3.5分钟。
7-清洗：异丙酮浴，并用N2枪干燥。
8-硬性烘烤：电热板(300℃)上，30min
步骤8之后，通过高温分解进行ITO沉积，用喷涂来加覆小于100nm的涂层。可以沉积任何适于载流子提取的材料，例如无机材料(如TiO2、ZnO、SnO)，或者导电有机聚合物材料。在实际中，无机氧化物，例如ITO、TiO2、ZnO和SnO，在被染料功能化之前是透明的。优选地，氧化物微粒应在粒子小于约50nm的情况下使用，否则由于光在可见光范围内的散射，氧化物趋于看起来是白色的。
由以上方法获得的、用扫描电子显微镜(SEM)所观察的规则微柱阵列在图8中示出，并在图9中以更高的分辨率示出。
Claims (8)
1.一种光电子器件，包括微柱阵列结构，所述微柱阵列结构包括：
-玻璃衬底；以及
-设在所述玻璃衬底的表面上的由有机聚合物树脂制成的微柱阵列，
其中：
-所述微柱对光基本透明，
-所述微柱的直径为0.5-50μm，
-所述微柱的高度为至多500μm，并且
-所述微柱的间距在1-50μm的范围内，
其中每个微柱由所述微柱阵列中邻近的微柱以六边形排布包围。
2.根据权利要求1所述的光电子器件，其中所述微柱具有圆柱形、金字塔形或圆锥形形状。
3.根据权利要求1或2所述的光电子器件，其中所述微柱的表面涂覆有从以下材料中选取的透明导电材料：ITO、FTO和石墨烯。
4.根据权利要求1或2所述的光电子器件，还包含一种光活性材料。
5.根据权利要求4所述的光电子器件，其中所述光活性材料是染料敏化介孔氧化物。
6.根据权利要求4所述的光电子器件，其中所述微柱的间距不超过载流子在所述光活性材料内的扩散长度的两倍。
7.根据权利要求4所述的光电子器件，其中所述光电子器件是太阳能电池。
8.根据权利要求4所述的光电子器件，其中由有机聚合物树脂制成的所述微柱阵列直接设在所述玻璃衬底的表面上。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2014/052358 WO2015117658A1 (en) | 2014-02-06 | 2014-02-06 | Patterned electrode contacts for optoelectronic devices |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105981117A CN105981117A (zh) | 2016-09-28 |
| CN105981117B true CN105981117B (zh) | 2019-05-07 |
Family
ID=50068992
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201480074943.7A Active CN105981117B (zh) | 2014-02-06 | 2014-02-06 | 用于光电子器件的图案化电极接触件 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20160343513A1 (zh) |
| JP (1) | JP6353066B2 (zh) |
| CN (1) | CN105981117B (zh) |
| WO (1) | WO2015117658A1 (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9812603B2 (en) * | 2014-05-30 | 2017-11-07 | Klaus Y. J. Hsu | Photosensing device with graphene |
| US9812604B2 (en) * | 2014-05-30 | 2017-11-07 | Klaus Y. J. Hsu | Photosensing device with graphene |
| US11347001B2 (en) * | 2020-04-01 | 2022-05-31 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Semiconductor structure and method of fabricating the same |
| CN111337168A (zh) * | 2020-04-15 | 2020-06-26 | 温州大学苍南研究院 | 一种石墨基压阻式柔性压力传感器及其制作方法 |
| EP4006994A1 (en) * | 2020-11-26 | 2022-06-01 | Stmicroelectronics (Grenoble 2) Sas | Optoelectronic device |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005310388A (ja) * | 2004-04-16 | 2005-11-04 | Ebara Corp | 光電変換素子 |
| JP2007273104A (ja) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Fujikura Ltd | 作用極および光電変換素子、作用極の製造方法 |
| JP4912172B2 (ja) * | 2007-02-01 | 2012-04-11 | Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 | 複合ナノロッド基板およびそれを用いた光電変換素子 |
| JP2008218702A (ja) * | 2007-03-05 | 2008-09-18 | Pioneer Electronic Corp | 有機太陽電池 |
| WO2009097627A2 (en) * | 2008-02-03 | 2009-08-06 | Nliten Energy Corporation | Thin-film photovoltaic devices and related manufacturing methods |
| WO2009100519A1 (en) * | 2008-02-12 | 2009-08-20 | The Governors Of The University Of Alberta | Photovoltaic device based on conformal coating of columnar structures |
| US20110284061A1 (en) * | 2008-03-21 | 2011-11-24 | Fyzikalni Ustav Av Cr, V.V.I. | Photovoltaic cell and methods for producing a photovoltaic cell |
| JP5452898B2 (ja) * | 2008-08-20 | 2014-03-26 | 積水化学工業株式会社 | 電極装置及びその製造方法 |
| US20100240167A1 (en) * | 2009-03-23 | 2010-09-23 | Neil Dasgupta | Quantum confinement solar cell fabricated by atomic layer deposition |
| US20110030770A1 (en) * | 2009-08-04 | 2011-02-10 | Molecular Imprints, Inc. | Nanostructured organic solar cells |
| RU2012132959A (ru) * | 2010-01-07 | 2014-02-27 | Шарп Кабусики Кайся | Элемент фотоэлектрического преобразования |
| US9129751B2 (en) | 2010-03-29 | 2015-09-08 | Northern Illinois University | Highly efficient dye-sensitized solar cells using microtextured electron collecting anode and nanoporous and interdigitated hole collecting cathode and method for making same |
| WO2012021739A1 (en) * | 2010-08-11 | 2012-02-16 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Nanostructured electrodes and active polymer layers |
| KR101325646B1 (ko) * | 2010-09-16 | 2013-11-20 | 한국전자통신연구원 | 태양전지 및 그 형성방법 |
| US9343609B2 (en) * | 2010-12-09 | 2016-05-17 | Faculdade De Ciencias E Tecnologia Da Universidade Nova De Lisboa | Mesoscopic optoelectronic devices comprising arrays of semiconductor pillars deposited from a suspension and production method thereof |
| US9956743B2 (en) * | 2010-12-20 | 2018-05-01 | The Regents Of The University Of California | Superhydrophobic and superoleophobic nanosurfaces |
| TWI467784B (zh) * | 2011-12-21 | 2015-01-01 | Univ Nat Cheng Kung | 太陽能電池 |
| JP2013201001A (ja) * | 2012-03-23 | 2013-10-03 | Nippon Shokubai Co Ltd | 積層体並びに該積層体を用いた有機エレクトロルミネッセンス素子、発光ダイオード素子及び光電変換素子 |
| US20130327386A1 (en) * | 2012-06-11 | 2013-12-12 | Tao Xu | Three-dimensional photovoltaic device |
-
2014
- 2014-02-06 CN CN201480074943.7A patent/CN105981117B/zh active Active
- 2014-02-06 JP JP2016550517A patent/JP6353066B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2014-02-06 WO PCT/EP2014/052358 patent/WO2015117658A1/en active Application Filing
- 2014-02-06 US US15/112,349 patent/US20160343513A1/en not_active Abandoned
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2017512377A (ja) | 2017-05-18 |
| JP6353066B2 (ja) | 2018-07-04 |
| US20160343513A1 (en) | 2016-11-24 |
| WO2015117658A1 (en) | 2015-08-13 |
| CN105981117A (zh) | 2016-09-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yu et al. | Recent advances in solar cells based on one-dimensional nanostructure arrays | |
| CN105981117B (zh) | 用于光电子器件的图案化电极接触件 | |
| JP6162891B2 (ja) | 有機太陽電池およびその製造方法 | |
| Dudem et al. | Hybrid energy cell with hierarchical nano/micro-architectured polymer film to harvest mechanical, solar, and wind energies individually/simultaneously | |
| Thiyagu et al. | Fabrication of large area high density, ultra-low reflection silicon nanowire arrays for efficient solar cell applications | |
| Khang | Recent progress in Si-PEDOT: PSS inorganic–organic hybrid solar cells | |
| TWI402992B (zh) | 太陽能電池及其製造方法 | |
| KR20140107488A (ko) | 표면 플라즈몬 구조를 구비한 유기 광전자 디바이스 및 그것의 제조방법 | |
| CN108140734B (zh) | 光伏装置 | |
| JP6383807B2 (ja) | 金属ナノ構造体再結合層を含むタンデム型有機光起電力装置 | |
| CN102082190B (zh) | 太阳能电池及其制造方法 | |
| US20140299184A1 (en) | Semiconductor dome-array structures using non-permanent and permanent mold templates | |
| US9209335B2 (en) | Solar cell system | |
| KR101237369B1 (ko) | 효율 향상 구조를 갖는 태양전지 및 그 제조 방법 | |
| KR101976918B1 (ko) | 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 및 그 제조 방법 | |
| JP2017147257A (ja) | 光電変換素子とその製造方法、および太陽電池 | |
| JP5745622B2 (ja) | 太陽電池およびその製造方法 | |
| KR101541108B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR101142513B1 (ko) | 에피택셜층을 포함하는 태양전지 및 그 제조 방법 | |
| US11374188B2 (en) | Photovoltaic cells based on donor and acceptor nano-particulate conjugates in conductive polymer blends | |
| KR101144886B1 (ko) | 비금속 나노입자를 포함하는 유기태양전지 및 그 제조 방법 | |
| Nam et al. | A study of lateral collection single junction A-SI: H solar cell devices using nano-scale columnar array | |
| KR101707737B1 (ko) | 태양 전지용 전극 구조물 및 이의 제조방법 | |
| TWI387117B (zh) | 太陽能電池裝置及其製造方法 | |
| TWI504005B (zh) | 太陽能電池模組及其製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200224 Address after: Aichi Prefecture, Japan Patentee after: Toyota Motor Corp. Address before: Brussels Patentee before: TOYOTA MOTOR EUROPE NV/SA |