CN110249240A - 具有提高的效率的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
表面的物理和化学特性可以经由无机前体通过将纳米颗粒、微球或纳米纹理结合至表面来控制。表面可以获得各种期望的特性，例如防反射、防雾、防结霜、UV阻挡和IR吸收，同时保持对可见光的透明度。微米材料或纳米材料还可用作蚀刻掩模，以使表面纹理化并经由其微纹理或纳米纹理来控制其物理和化学特性。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月3日提交的美国专利申请第15/668,227号，于2017年7月14日提交的美国临时专利申请第62/532,854号和于2017年1月6日提交的美国临时专利申请第62/443,558号的优先权，这三者全部通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开内容涉及多功能表面。更特别地，涉及通过纳米颗粒单层控制表面特性的方法。
附图说明
并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本公开内容的一个或更多个实施方案，并且与示例性实施方案的描述一起用于说明本公开内容的原理和实施。
图1是将纳米颗粒(NP)共价附接至基底的示意图。
图2示出了使用NP-SAM复合物通过阻挡来对表面的形貌进行改性的实例。
图3至6示出了具有不同官能化作用的纳米颗粒和基底的实例。
图7示出了具有多个制造步骤的工作站。
图8示出了在阻挡UV光的同时对可见光透明的示例性表面。
图9示出了用于UV阻挡和可见光透射的示例性表面。
图10示出了用于提高太阳能电池效率的示例性装置。
图11示出了作为波长的函数的示例性可用功率。
图12至13示出了两个电池的示例性频谱效率。
图14示出了示例性功率增强。
图15示出了与图13类似但是对于15％效率的Si电池的数据。
图16示出了与图14类似但是对于15％效率的Si电池的数据。
图17示出了模拟结构的暗电流-电压(I-V)曲线。
图18示出了AM 1.5G功率的功率密度。
图19至20示出了包含Eg＝0.67eV的半导体的模拟器件的电流-电压特性。
图21示出了太阳能电池与顶部结构之间的间隔物的实例。
图22示出了不同波长下的频谱效率的示例性概念。
图23示出了整体串联效率的示例性模拟。
图24示出了具有PV板以及顶部和底部吸收体的示例性结构。
图25示出了彼此间隔开并且彼此平行的导线阵列。
图26示出了微球的示例性的单层和纳米颗粒蚀刻掩模。
图27至28示出了示例性分级结构。
图29至30示出了结构的示例性阵列。
图31示出了可以包括在结构中的示例性要素。
图32至35示出了示例性光吸收结构。
图36示出了固体应用。
图37示出了具有纳米颗粒的层的显示器。
图38至39示出了在窗玻璃上吸收光的示例性层。
图40至41示出了示例性多结太阳能电池。
发明内容
在本公开内容的第一方面中，描述了一种结构，所述结构包括：被配置成吸收第一波长范围内的电磁辐射的太阳能电池板；和附接在太阳能电池板的顶部表面上的顶部结构，顶部表面朝向入射电磁辐射定向，顶部结构被配置成吸收第二波长范围内的电磁辐射，第二波长范围包括比第一波长范围更短的波长。
具体实施方式
几种现有产品包括涂层和其他类型的表面改性以获得产品表面的特定物理、化学或电学特性。例如，可以通过非键合过程在表面上沉积纳米颗粒来实现表面特性的改性。这些纳米颗粒可以通过旋涂、喷涂或浸涂过程施加至表面。可以出于各种原因(例如拉曼增强或充当催化剂)将纳米颗粒附接至表面。虽然本领域普通技术人员已知的这些技术在某些应用中是有效的，但是它们可能存在一些缺点，主要是由于这些已知技术无法将纳米颗粒稳固地附接至表面上的事实。许多这些已知技术也不具有特异性，在沉积期间需要极度小心，并且通常无法在表面上均匀地附接纳米颗粒的单层。另外，这些方法可能无法有效地将纳米颗粒的单层施加至弯曲或其他非均匀表面上。
或者，存在本领域普通技术人员已知的其中将纳米颗粒键合至表面的其他方法。例如，纳米颗粒可以与脱氧核糖核酸(DNA)的互补碱基对的一部分键合，而互补碱基对的另一部分与表面键合。虽然该技术产生单个纳米颗粒层，但可能存在不足。首先，DNA在加热时变性；因此，纳米颗粒层在高温下不稳定。其次，DNA连接可能对强酸/碱或极端溶剂化学不稳定。第三，将DNA附接至特定基底上是非常复杂的过程。最后，用于DNA附接的原料是昂贵的。
本公开内容描述了用廉价且技术上较不复杂的技术沉积纳米颗粒的单层的方法，其允许显著地增加对涂覆有纳米颗粒的所得表面的化学和物理(例如光学和电学)特性的控制。还可以使用该技术产生具有多个水平和尺寸的纳米颗粒的三维结构。因此，虽然该技术描述了如何用纳米颗粒对表面进行改性，但是涂覆共形且均匀的颗粒的多个层的能力不仅能够产生新的表面，而且还能够制造三维材料以及超材料。
一般而言，本文公开的各种方法涉及在基底表面上施加纳米颗粒的单层。本文公开的方法在各种表面(平坦的、弯曲的或不均匀的)上提供稳定且均匀的涂层。在一些实施方案中，所沉积的颗粒的尺寸可以在纳米范围内，或在微米范围内(例如微球)。这些颗粒可以例如通过不同的方法附接至表面上：1.无机结合；2.有机结合(点击化学)；3.小心控制的喷涂或浸渍。例如，可以在连续的、不同的步骤中将流体施加至颗粒和表面，以在颗粒与表面之间产生结合或吸引。例如，在不同的步骤中，可以将第一液体喷涂或以其他方式施加至颗粒，同时可以将第二液体混合物施加至表面。可以例如用纯溶剂(或溶剂混合物)或通过干燥除去过量的液体。选择第一液体和第二液体以便能够在颗粒与表面之间产生结合或吸引力，在表面上产生颗粒的单个均匀单层。可以对该技术进行修改以产生包括多个单层或其他结构的更复杂的分级表面。可以利用有机化学进行类似的过程。可以使用气体代替液体。流体也可以称为“前体”，因为它们为后续官能团之间的结合(或一般地，吸引力)准备不同的表面。在一些实施方案中，颗粒(或颗粒悬浮体)是两种前体之一。在这种情况下，可以使颗粒官能化，使得它们的表面与基底反应，但是在另一些实施方案中，颗粒可以适于在形成或制造时产生吸引。因此，颗粒可以在单独的步骤中制备以使它们成为前体。将另一种前体施加至基底的表面。然后可以将颗粒前体附接至经另一种前体处理的表面上。换言之，该方法包括以下步骤：1.用第一前体喷涂或以其他方式准备基底；2.用纯溶剂或流体混合物喷涂基底；3.用颗粒(颗粒是悬浮在流体中的前体)的分散体喷涂基底；4.用纯溶剂喷涂基底。选择前体和溶剂以允许不同的官能团根据期望相互作用或不相互作用，以允许施加一个单层同时阻止第二单层的附接。一旦形成第一单层，如有必要，可以重复该过程以附接第二单层，等等。在另一些实施方案中，可以将颗粒直接喷涂至表面上，仅在物理相互作用下再铺设，而没有永久性结合。例如，颗粒可以通过范德华力或静电力保持附接。
在一些实施方案中，使用如-OH和Al-CH3的官能团将颗粒键合至表面。这种方法不同于基于DNA的官能化作用，因为DNA方法是基于氢键。互补碱基对具有氢型键。这些氢键在高温下变性。在高温下，DNA链的形状发生变化，因此氢键断裂。
与所公开的方法一起使用的纳米颗粒的实例包括但不限于金属、金属氧化物、金属氮化物、碳纳米管、巴基球(例如具有式C60的球形富勒烯分子)、或构造化3D纳米结构例如金属-有机框架(MOF)。
与所公开的方法一起使用的基底的实例包括但不限于玻璃、陶瓷、塑料、聚合物、纺织品、半导体、金属、3D打印材料或3D构造化材料。
在一些实施方案中，通过液相原子层沉积将纳米颗粒的单个均匀层沉积在任意表面上。如本领域普通技术人员所知，原子层沉积(ALD)是基于顺序施加前体组分(例如两种前体)的薄膜沉积技术，前体组分沉积在基底上，在基底上它们发生化学相互作用以形成原子键。ALD被认为是化学气相沉积的子类，因为前体通常以气态引入沉积室内。然而，如果前体呈液态，则该技术可被称为液相原子层沉积或溶液原子层沉积(sALD)，因为前体溶解在不相互作用的溶剂中。
在一些实施方案中，使用三步法形成层。在第一步中，用“-OH”醇基团使纳米颗粒官能化。如本领域普通技术人员将理解的，存在可以用于将“-OH”官能团附接至任意组成的纳米颗粒(作为实例但非限制，纳米颗粒可以包含纯金属或氧化物)上的许多不同的化学合成方法。在第二步中，将目标基底(即待涂覆的表面)在真空室、溶液或本领域已知或开发的其他方法中暴露于三甲基铝(TMA)。在该第二步中，用“-CH3”或甲基使基底表面官能化。
在该实施方案的第三步中，可以将“-CH3”官能化的基底浸没在“-OH”官能化的纳米颗粒的浴中。该浴由悬浮在有机溶剂例如己烷(或者不含水或不含含有-OH基团的反应性分子的其他有机溶剂)中的官能化的纳米颗粒构成。基底表面上的甲基与官能化的纳米颗粒上的醇或更一般地与-OH基团反应以形成基底-氧-纳米颗粒(基底-Al-O-纳米颗粒)共价键和甲烷副产物(CH4)(作为溶解的气体离开浴，或从浴中鼓泡离开)。
共价键将纳米颗粒以单层的方式永久地附接至表面。当所有“-CH3”基团都转化为共价纳米颗粒键时，附接停止。接近表面的后续纳米颗粒可以松散地粘附至基底，但是它们不形成共价键。因此，当从浴中取出经涂覆的基底并漂洗时，松散结合的纳米颗粒将被除去，并且共价键合的纳米颗粒保留在基底表面上。以这种方式，可以形成共价键合的纳米颗粒的单层，而可能附接为第二或第三单层等的任何纳米颗粒可以被除去，这是由于这些可能的多层纳米颗粒并没有共价键合至基底的事实。仅第一纳米颗粒层被共价键合。在一些实施方案中，在每个步骤之后，用有机溶剂如己烷漂洗基底。例如，己烷可以漂洗掉较弱地附接为第二单层或任何数目的附加多层的任何纳米颗粒。在一些情况下，超声处理可以用于帮助除去多余的多层。
在另一些实施方案中，可以根据期望将形成共价附接至基底的纳米颗粒的单个单层的以上过程重复多次，以每次一层地构建精确的纳米颗粒层。在该过程中，使共价键合至基底的第一单层官能化-类似于在第一次迭代中基底被官能化的方式。然后，纳米颗粒的第二单层将共价键合至第一单层，而较弱地键合为可能的第三单层的任何纳米颗粒可以容易地被除去(例如，漂洗掉)。在每次后续迭代中，沉积纳米颗粒的另一单层。后续的纳米颗粒层可以与第一层中的纳米颗粒相同。或者，可以在后续层中添加不同的纳米颗粒。例如，每个后续单层可以由不同类型或尺寸的纳米颗粒形成，或者两种类型的纳米颗粒可以交替。通过为每个层选择合适的纳米颗粒组成，可以用任意组成、材料特性的分级和尺寸制造三维材料和超材料。这种类型的结构化纳米颗粒组合件可以具有“超材料”特性，例如可调的(并且可能为负的)折射率、隐形、波长可选反射(wavelength selectable reflection)、偏振或超透镜聚焦效应(superlens focusing effects)。
在另一些实施方案中，可以使以上过程在形成完全闭合的纳米颗粒的单层之前停止。在一些实施方案中，不必除去过量的纳米颗粒多层。在另一些实施方案中，在以上过程中不必具有完全分离的步骤。在这些实施方案中，偏离理想步骤的修改可能损害最终单层的品质，但是可以使用略微不完美的过程来缩短制造时间。换言之，根据对最终应用的缺陷的容忍度，可以将该过程修改为品质与制造容易性之间的折衷。
在另一些实施方案中，通过气相和液相原子层沉积的组合将纳米颗粒的单个均匀层沉积在任意表面上。根据该方法，可以通过将基底暴露于气相的TMA使基底表面官能化。该第一步可以例如在大气压传送带系统或类似系统中进行。一旦基底经-CH3基团官能化，就在干燥的氮气环境中通过喷涂(或其他类型的涂覆，例如浸涂)将基底暴露于-OH官能化的纳米颗粒。与上述方法类似，纳米颗粒将共价键合至基底的表面。
因此，上述方法可以概括为1.纳米颗粒的官能化；2.基底的官能化；3.纳米颗粒的单个单层在基底上的共价键合。第一步和第二步也可以以相反的顺序或同时进行。如上所述，纳米颗粒-基底组合中的一者或两者可以在没有预处理的情况下键合。
在另一些实施方案中，可以对这三个步骤进行修改以在气相中、在真空下或在液相中用官能化试剂进行，只要基底的官能化和共价键合步骤在基本上不含水或不含除纳米颗粒上的-OH基团之外的任何-OH基团的环境中进行即可。否则，这些额外的-OH基团可能通过优先将纳米颗粒结合在其他非目标表面上而干扰该方法。另外，任何实施方案可以分批进行或以传送带式连续过程进行。作为实例而非限制，根据一个实施方案，将基底放置在第一区段中，并用TMA处于液相的TMA喷涂基底。然后将基底移至具有纯溶剂(化学计量溶剂)的第二区段，以从基底上冲洗任何未反应的TMA。然后将基底移至第三区段，第三区段将官能化的纳米颗粒喷涂至基底表面上。然后将基底移至第四区段，在第四区段中再次用纯溶剂喷涂基底以除去任何过量的颗粒。
在另一些实施方案中，可以用TMA使纳米颗粒官能化，并且用醇基团使基底表面官能化。在另一些实施方案中，TMA可以替代用于气相原子气相沉积的任何数目的潜在反应性前体，例如但不限于氯化物、氟化物、有机金属化合物或acac(乙酰丙酮化物)。在另一些实施方案中，可以用另一些基团替代-OH基团，例如，如胺基(-NH2)、酯基、醛基、卤化物、酰胺、腈或本领域中已知的或开发的另一些官能团。在另一些实施方案中，本文公开的各种官能化基团可以通过在纳米颗粒与其官能团(例如-OH基团)之间附接碳链和/或在基底与其官能团(例如，-CH3基团)之间添加碳链而延长。
本文描述的方法可以与其他方法一起使用，或者用于对现有产品的表面进行改性。例如，具有附接于其上的共价键合的纳米颗粒的表面可以用作后续蚀刻工艺的掩蔽剂。在另一些应用中，共价键合的纳米颗粒可以用于使太阳能电池吸收不同波长的光。可以将太阳能电池的基底设计成吸收与纳米颗粒不同的波长的光，因此由组合的串联电池收集的总能量可以在单个终端电池上增加。经纳米颗粒改性的表面还可以用作现有太阳能电池底部的散射中心，以增加由电池吸收的光量。
如上所述，本公开内容描述了将纳米颗粒共价键合至任意表面的方法。然后可以利用引入的纳米颗粒来产生具有新形成的表面形貌的新材料。新产生的纳米级表面形貌将任意表面变为有价值的新材料，包括超亲水、超疏水或光捕获材料。存在大量用于产生官能化的自组装单层(SAM)的已知方法。本发明使用这些SAM来控制有价值的表面特性。例如，可以用SAM使基底官能化。然后，官能化的纳米颗粒可以通过SAM共价键合至基底。
在一些实施方案中，涂覆在基底上的纳米颗粒可以用于产生掩模，该掩模部分地阻挡基底处的反应性物质被蚀刻掉。然后纳米颗粒可以被除去，或者可选地保持共价键合至表面，并由此产生期望的纳米级形貌。
在另一些实施方案中，纳米颗粒单层可以用于谨慎地阻挡原始表面区域的一部分，并防止添加至表面的额外原子、分子、化合物或材料的沉积(限于原始区域的阻挡部分)。以这种方式，可以控制纳米级的表面形貌以产生期望的表面特性。在另一些实施方案中，可以将官能化的纳米颗粒共价键合至SAM，以允许期望的光吸收或光发射特性。
图1是将纳米颗粒(NP)共价附接至基底的示意图。在图1中，用基团R'使纳米颗粒(105)官能化(110)，而用互补基团R使表面(120)官能化(115)。然后形成共价键X(125)，将纳米颗粒附接至表面(130)。在一些实施方案中，可以使用简单的R代替CH2-CH2-R链，其中R表示任意官能团或原子。
因此，使任意表面上的SAM经历将NP共价键合至SAM的反应。在一些实施方案中，如果SAM的特定官能团可以与纳米颗粒的特定材料共价键合，则纳米颗粒也可以不进行另外的官能化。NP-SAM可以用于进一步操作以制造具有期望的纳米级形貌的表面。这样的形貌可以使表面变得例如超亲水、超疏水、光发射或光吸收。
图2示出了使用NP-SAM复合物(205)对表面的形貌进行改性的实例。在该实施方案中，NP改性的SAM用作基底以对下面的表面进行进一步操作。例如，NP可以用作掩模以在化学蚀刻时阻挡反应性离子物质的接近。或者，NP可以阻止新引入的物质生长至下面的基底的表面。
在一些实施方案中，纳米颗粒可以保留在它们已经附接至的表面上，以获得具有新产生的表面形貌的新表面(210)。在该实例中，纳米颗粒保持与基底上的SAM共价键合。纳米颗粒提供到达下面的基底的某些区域的通路，并且随后，材料(例如原子或分子)可以有限地沉积至这些可接近的区域。
在另一些实施方案中，可以将纳米颗粒以化学方式或以其他方式除去，以提供具有不含任何NP的新表面形貌的表面(215)。在该实施方案中，纳米颗粒用作掩模以仅在基底的特定区域中沉积材料。铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应(CuAAC)是可以用于将官能化的NP共价附接至适当装备的SAM的反应类型的实例。
图3至5示出了具有不同官能化作用的纳米颗粒和基底的实例。例如，图3示出了使用CuAAC反应的实例。图3示出了含叠氮化物的SAM(305)，其在室温下借助于铜催化容易地经受与炔烃官能化的NP(310)的附接，以得到三唑(315)，三唑将NP附接至表面以产生NP改性的SAM基底。
图4也示出了具有叠氮化物单层(405)的表面，其可以附接至用二苯并氮杂环辛炔(DIBAC)官能化(410)的纳米颗粒。共价键(415)是通过应变促进的叠氮化物-炔烃点击(SPAAC)产生的。
图5示出了具有DIBAC单层(505)的基底，其可以与纳米颗粒上的叠氮化物(510)键合。共价键(515)经由应变促进的叠氮化物-炔烃点击通过新形成的三唑而形成。在图5的实例中，与图4的实例相比，基底和纳米颗粒官能化试剂是相反的。如本领域普通技术人员所理解的，可以使用不同的官能化试剂。每种官能化试剂与互补试剂相互作用，但不与同组的其他试剂相互作用。换言之，基底上的官能化试剂与纳米颗粒上的试剂键合，但不与基底上的其他试剂键合，纳米颗粒上的试剂也不与其他纳米颗粒键合。以这种方式，共价键在基底与纳米颗粒之间选择性地形成，但不在纳米颗粒之间形成。
图6示出了受控沉积的另一个实例。在该实施方案中，方法类似于使用三甲基铝(TMA)和具有-OH官能团的纳米颗粒的颗粒的官能化作用和键合。在图6的实例中，如下所述，在表面上形成氧化铝的单层以键合颗粒。
三甲基铝(605)Al2(CH3)6对-OH官能团(610)的高亲和性导致形成氧化铝和甲烷的侵蚀性反应。可以例如用TMA脉冲引入TMA。表面上的化学吸附(615)是自饱和的。甲基配体和-OH配体彼此没有亲和性，导致自限地形成单个单层。随后，可以引入(620)“-OH官能化的纳米颗粒脉冲”脉冲(623)。结果，形成(625)Al2O3的单层或子单层，在其表面上具有新的-OH官能团(627)。在一些实施方案中，可以形成氧化铝层而不在表面上引入新的-OH基团，这取决于氧化铝表面是否需要官能活性。在一些实施方案中，还可以使用商业官能化的纳米颗粒和TMA溶液。例如，聚乙二醇(PEG)包封的金纳米颗粒上的羧酸基团是可商购的。己烷溶液中的TMA也是可商购的。
在一些实施方案中，本公开内容的方法可以实施为空间上分开的基于溶液的ALD。例如，在工作区域的第一区段中，用TMA溶液的喷涂基底。在第二区段中，纯溶剂冲洗未反应的TMA。在第三区段中，将官能化的纳米颗粒喷涂在基底上。在第四区段中，喷涂纯溶剂以除去过量的纳米颗粒。在一些实施方案中，可以使用浸渍步骤代替喷涂。在一些实施方案中，可以使用溶剂混合物或其他流体代替纯溶剂。
例如，图7示出了具有多个制造步骤的工作站。基底可以沿着工作表面跨越多个区段移动，例如，如由箭头(725)所示。在图7的实例中，每个区段具有用于将液体或气体施加至基底的装置。例如，气体轴承或液体泵(715)可以用于在区段(705,717,735)中施加流体。在该实例中，第一前体(720)和第二前体(730)可以在相应区段中施加至基底。在一些实施方案中，前体为液体，并且液体冲洗可以用于(705,717,735)以冲洗掉任何剩余的前体。例如，该方法防止前体在施加至基底之前彼此之间混合。混合的前体可能导致沉淀而不是沉积在被涂覆的表面上。前体之一可以包含颗粒，如以上在本公开内容中所述。在另一些实施方案中，前体和冲洗剂可以处于气态。然后区段(705,717,735)的目的是排放前体。排出流体的合适装置可以放置在前体区段与冲洗区段之间。例如，可以在区段(705,717,735)中使用纯溶剂，而前体可以在包含溶剂的液体溶液中。在一些实施方案中，前体之一是在基底上留下官能团的流体，而另一种前体包括这样的颗粒：在将颗粒悬浮体喷涂在基底上之前，该颗粒已经被与基底上的官能团互补的官能团官能化。在一些实施方案中，排放或吹扫步骤可以在喷涂前体的同一位置中进行。
可以调整几种参数以优化喷涂，例如基底在区段之间移动的栅格速度(例如，在图7中)、喷嘴与基底的距离、喷嘴是否采用超声波、悬浮体中颗粒的分散、悬浮体的pH值、表面活性剂以及特定液体(例如醇、水或有机溶剂)的使用。在一些实施方案中，还可以并入预喷涂超声处理步骤。其他参数包括进料管和喷嘴处的流量或流速、喷嘴的定向和基底的温度。也可以将表面活性剂添加至纳米颗粒分散体中以防止或减缓团聚。所有这些参数可能影响表面的涂覆，例如单层的均匀性。还可以通过以上参数控制颗粒之间的间隔。例如，颗粒之间的间隔大于颗粒半径的一半可能被认为太大而无法产生均匀的单层。在这种情况下，将对喷涂进行优化以使颗粒之间的间隔小于半径的一半。由于在表面上涂覆颗粒期间进行更大的控制的可能性，因此，喷涂与旋涂相比可能是有利的。如果沉积不均匀，并且当液体变干燥时，颗粒可能倾向于在表面上形成岛，而不是单层。在一些实施方案中，部分闭合的单层可能是有用的，并且可以控制相同的制造参数以指定颗粒之间的特征长度和团聚程度。
在一些实施方案中，可以控制颗粒尺寸和组成以获得期望的功能，例如防雾、可见光透射性、UV阻挡和抗蚀刻性。在一些实施方案中，具有紧密堆积布置以形成颗粒的单层可能是有利的。然而，颗粒可能在沉积之前在悬浮体流体中聚集，这可能负面地影响单层的形成。例如，目标可以是在悬浮体流体中具有少于3个颗粒的团聚物。例如，可以在颗粒上建立电荷以确保在喷涂颗粒期间受控的散布。也可以在颗粒、待喷涂的表面或二者上使用表面涂层。表面涂层可以例如改善颗粒的单层的粘附性。在一些实施方案中，可以使基底的表面张力与所喷涂的流体相匹配。因此，在制造期间可以考虑表面电位。可以对几种流体参数进行控制：介电常数(例如大于10)、粘度、挥发性和使颗粒悬浮的能力。例如，在一些实施方案中，表面涂层在控制表面张力方面可能是重要的。在一些实施方案中，使颗粒的表面张力与基底的表面张力相匹配可能是有利的。
下面描述了导致喷涂完美或接近完美的纳米颗粒的单层(其中纳米颗粒彼此之间或与基底之间没有化学连接)的因素。用于分散纳米颗粒的流体被配置成促使纳米颗粒保持悬浮。在一些实施方案中，流体可以处于较高的pH。例如，pH 10的流体可以与氧化铝颗粒一起使用，以确保在氧化铝纳米颗粒表面上形成带负电荷的AlO-物质。颗粒上的负电荷使它们彼此排斥，从而使可能的团聚最小化。其中悬浮有颗粒并且用于喷涂或浸渍的分散流体可以包含表面活性剂，表面活性剂在纳米颗粒周围形成胶束结构以使团聚最小化。
还可以对其上待结合颗粒的基底和悬浮体流体进行选择，以具有良好的匹配。换言之，对流体和基底的某些选择可能导致流体润湿基底的能力增加或降低。增加或降低的润湿能力可以改善颗粒的均匀单层的形成，颗粒的均匀单层的形成取决于颗粒对基底相比于对流体的亲和力。也可以在颗粒沉积之前准备基底，以增加或降低其润湿性。例如，在使用水的情况下，可以用氧等离子体预清洁玻璃基底以除去任何表面油污染物并产生亲水表面。在一些实施方案中，疏水表面而不是亲水表面可能是更有利的，例如，施加六甲基二硅氮烷(HMDS)或碳氟化合物层以阻止润湿。
包含颗粒的流体还可以被配置成一旦其润湿基底就相对快速地蒸发。在其他方面，除非采取措施以保证纳米颗粒对基底的亲和性，否则，当流体蒸发时，流体可能在其蒸发时沿着液体/空气界面携带纳米颗粒，导致颗粒堆积在表面上。在一些实施方案中，可以通过控制基底温度来调节蒸发速率。例如，如果流体是水，则温度可以在5℃至150℃之间变化。还可以通过控制输送至表面的液体的量来调节蒸发速率。典型的流量可以为0.25ml/分钟至2ml/分钟。在低温下，通过确保表面上的液滴中没有表面张力梯度来控制颗粒运动。在高温下，液滴“闪蒸”并且不允许纳米颗粒的表面迁移。还可以在多个道次中在基底的同一区域上施加包含颗粒的液体，以进一步调节流量和蒸发速率。
纳米颗粒浓度和超声处理量也可以控制分散在流体中的颗粒向表面的施加。典型浓度为0.5mg/mL至5mg/mL。在一些实施方案中，可以将超声处理施加至容纳有液体纳米颗粒分散体的旋转罐例如持续1小时，以减少颗粒的团聚。
当在连续步骤中沉积颗粒的多个单层时，可以使用不同的流体。换言之，用于使基底官能化的前体流体可以与在沉积颗粒的第二单层之前用于使所沉积的颗粒的第一单层官能化的流体不同。在一些实施方案中，所用的流体必须对官能团基本上呈惰性。例如，如果官能团是Al-CH3，则水是不可接受的流体。
在另一些实施方案中，可以使用浴方法代替喷涂，其中将表面或部分表面浸入或浸渍在包含颗粒的液体中。该方法允许分批进行涂覆。不同的应用可能偏向于一种施加方法而不是其他施加方法。在一些实施方案中，催化剂可以用于使颗粒能够结合在表面上。可以采用化学或物理手段将颗粒结合在基底上，例如，在颗粒和/或基底上使用官能团。在这些实施方案中，催化剂可以能够与两种官能团(颗粒上的基团和基底上的基团)相互作用。
在下文中，还描述了通过喷涂而不是键合来附接颗粒的方法。颗粒可以通过各种力而不是化学键附接。例如，静电力和范德华力。喷涂纳米颗粒以在表面上实现单层覆盖需要几种组分对喷涂的协同设计努力。
在一些实施方案中，纳米颗粒可以均匀地分散在减缓颗粒团聚的流体中。对于水性分散体，下面描述了防止或减缓团聚的两种示例性方法。第一种方法是包含表面活性剂分子，例如包含亲水性聚环氧乙烷。以胶束方式，表面活性剂分子以有助于防止纳米颗粒从分散体中沉淀(crashing out)或附接至其他纳米颗粒的方式包围纳米颗粒。第二种方法是改变溶液的pH，从而赋予纳米颗粒的表面静电荷。例如，通过向pH 7的250mL商业水性氧化铝纳米颗粒溶液中添加0.5mL的0.5M NaOH溶液，随着分散体的pH升至10.5，氧化铝纳米颗粒的表面变为Al(OH)2 -。纳米颗粒上的有效负电荷有助于防止团聚，原因是颗粒彼此静电排斥。
在一些实施方案中，可以搅拌纳米颗粒分散体并进行超声处理。例如，可以在使用之前搅拌纳米颗粒分散体并进行超声处理约1小时。例如，超声处理功率可以设定为100W，但在该小时期间占空比(duty cycle)小于50％，以避免太显著地提高超声波浴的温度。超过40℃的温度可能导致表面活性剂分子的劣化。搅拌和超声处理用于两个目的：1.使纳米颗粒和表面活性剂(如果存在的话)的混合物均匀化，以确保所有颗粒都具有接近表面活性剂益处的机会；2.超声波能量使团聚的颗粒破裂以有助于减少将过大的颗粒输送至待涂覆的表面的机会。
在一些实施方案中，一旦对颗粒悬浮体进行超声处理，就可以将其加载至注射泵中，该注射泵用磁力搅拌棒不断搅拌以有助于防止颗粒的沉降。然后注射泵向超声喷嘴供给恒定流量的分散体(例如0.25ml/分钟至5ml/分钟)，同时喷嘴在待涂覆的表面的一部分上以栅格行进。
纳米颗粒分散体的理想流量由许多因素控制。例如，通过采取上述准备步骤，可以合理地推断，当纳米颗粒被输送至被涂覆的基底时，纳米颗粒没有团聚。然而，一旦颗粒到达基底，表面上的各种力就可能导致颗粒团聚并堆积。一个重要的因素是液滴边缘处的蒸发速率与其中心处的蒸发速率之间的平衡。如果基底的温度太高，则液滴边缘(与基底接触)与液滴的顶部表面(仅接触空气)之间的温度存在差异。温度差异导致表面张力的差异，这引起液滴内的马兰哥尼对流(Marangoni flow)。对流导致液滴内的颗粒被带至边缘并随着液滴干燥而堆积。在一些实施方案中，为了确保单层或接近单层覆盖，需要通过将基底温度管理为接近环境气体的温度来使表面张力差异最小化。因此，对于水分散体，理想的基底温度接近于室温，而对于特别挥发的溶剂如异丙醇(丙-2-醇，IPA)，温度应该更低。
可以注意到，替代方法也是可能的，其中纳米颗粒多层可以用于形成也可以用作蚀刻掩模的有效多孔介质。例如，由可侵蚀材料(例如SiO2)制成的3个颗粒深的多层可以用作玻璃用纳米纹理化掩模。有效的介质方法在介质被侵蚀时留下孔和填充缺陷，其最终转化为纳米纹理。这可以使整个纹理化过程对形成完美的单层较不敏感。可以通过选择更大或更小的纳米颗粒以形成层来控制孔隙度。一个示例性情况是在用基于碳氟化合物的等离子体蚀刻的玻璃上的6层深的30nm SiO2纳米颗粒多层。在这种情况下，基底温度可以较高(例如75℃或更高)，并且比单层沉积方法具有更小的缺陷。此外，可以以不同的比例使用易侵蚀纳米颗粒(例如SiO2)和非易侵蚀纳米颗粒(例如Al2O3)的混合物。易侵蚀纳米颗粒有助于更好地将Al2O3分布在表面上，从而控制最终的表面纹理。
为了使单层的形成容易，在纳米颗粒与待涂覆的表面之间产生固有的亲和性可能是有用的。以下段落描述了导致在纳米颗粒与基底表面之间优先地形成化学键(点击型有机化学和ALD型无机化学)的两种方法。然而，可以注意到，存在可以产生优先的仅物理相互作用的其他方式。
物理(非化学键)吸引的一些示例性实例包括：1.通过在基底上产生正电荷(通过离子轰击产生正电荷，非限制性实例)并使用大于7的pH使纳米颗粒具有负表面电荷而在表面上产生电荷。2.产生亲水相互作用，其中用膜或O2等离子体对表面和/或颗粒进行预处理以产生-OH基团，并且表面的亲水性吸引第一层颗粒。
产生吸引力(化学上或物理上)的优点是使喷涂工艺对喷涂参数较不敏感，并且使得浸渍工艺可行而无需采取Langmuir-Blodgett技术。这两个特征使得如本公开内容中描述的纳米颗粒附接过程更稳固且更容易集成至商业产品中。
在一些实施方案中，可以使用上述ALD方法例如制造串联太阳能电池或与其他电池串联使用的电池。例如，可以通过用纳米颗粒涂覆硅太阳能电池的表面来对其进行改性以提高效率。例如，纳米颗粒可以提高硅电池在UV(紫外)和可见光谱中的吸收效率。组合效率可以提高至25％或更高。纳米颗粒还可以充当现有电池底部的散射中心以增加由电池吸收的光量，因为光被散射至电池中。
在另一些应用中，经纳米颗粒改性的表面可以用于催化或电池应用。本文描述的方法允许在表面上选择性地3D负载纳米颗粒。换言之，可以在纳米级水平控制表面。应注意，在这种情况下，表面是指纳米颗粒可以到达的所有暴露表面。例如，一些材料如沸石、聚合物或金属-有机框架(MOF)具有内部和外部表面区域。本公开内容的方法可以是指所有这样的表面(整个3D拓扑结构)。在一些应用中，表面上的纳米颗粒也可以用作红外检测器的吸收体。
本文所述的化学方法(有机和无机二者)相对于基于DNA的方法呈现出显著的改进，因为纳米颗粒与基底之间的结合为共价键。与纳米颗粒的表面连接具有改善的温度和化学稳定性，并且可以认为是永久性的。本文所述的方法还允许制造分级表面，因为纳米颗粒可以以不同形貌沉积在若干单层中，形成影响基底的物理和化学特性的3D结构。
本文所述的方法还可以有效地用于将纳米颗粒的单个层施加至弯曲的或其他非均匀的表面上。还可以如下将纳米颗粒的多个单层沉积在弯曲的表面上：通过与纳米颗粒上的官能团形成强化学键的弯曲表面上的化学官能团通过直接键合将纳米颗粒附接至表面。在没有这样的化学键的情况下，现有技术需要在偶联纳米颗粒之前对材料的表面进行活化。表面活化是通常使用苛刻的化学或物理技术生成或产生反应性化学官能团的过程。因此，本文所述的方法是有利的，因为它们可以应用于会受到苛刻的化学或物理技术的负面影响的各种表面。
如上所述，可以对表面进行改性以提供可以被图案化或以其他方式定制以用于期望的应用的纹理化表面。在一些实施方案中，可以将一个或更多个表面结构和/或一个或更多个层施加至基底表面，以改进或改变基底表面物理特性中的一个或更多个，包括但不限于润湿性、促进或抑制粘附的倾向、导电性、表面电荷、促进或抑制凝结的倾向、蒸发、腐蚀、升华、反射率、发射率、光过滤(高、低或带通)、光吸收(包括偏振)和流体吸收。
如本公开内容中所述，设计改性表面以向基底提供改进的物理特性的组合。在一些实施方案中，改进的物理特性可以是下面的材料或基底所固有的，因为改进的物理特性不是涂层的结果而是该材料所固有的。换言之，在一些实施方案中，结构本身具有至少一种期望的特性。例如，如果结构具有200nm或更小的尺寸，并且具有分级纳米纹理(纳米在微米上或纳米在纳米上，例如具有粗糙边缘的柱状物)，则不需要纳米颗粒来获得UV阻挡和防结霜。可以将纳米颗粒沉积在UV阻挡结构上以进一步添加IR阻挡。该结构固有地为UV阻挡和防结霜，但不固有地为IR阻挡。该事实提供了增加的耐久性以及物理特性随时间的一致性。增强的耐久性提供了对由磨损和分层造成的物理损坏的更大的耐受性，否则经涂覆的表面可能会发生磨损和分层。在下文中，描述了几个示例性应用和实施方案。尽管利用实例来描述一些应用，但这些实例不意味着限制。例如，以下实例被描述为与飞行器相关，但是其也可以应用于海军运载工具或其他领域。
防结霜与无线电波吸收的组合。在该实施方案中，可以对飞机、直升机、无人机或其他飞行航空器的一个或更多个外表面进行改性以抑制冰的形成(通过疏水)并且使其吸收无线电波以防止经由雷达被检测到(例如，隐身)。在该应用中，可以在外表面制造之后对其进行改性，或者可以在制造相关结构部件期间应用表面增强方法。例如，可以将本公开内容中描述的方法应用于由航空公司制造的机翼，或者可以将这些方法集成至机翼的制造中。
还可以对包括外表面(航空器外部)的结构进行改性，以改善航空器的空气动力学或流体动力学性能。例如，航空器的表面可以由复合材料制成，该复合材料并入有能够吸收无线电波的材料的基础层。然后可以通过对复合板的表面进行纹理化来施加疏水表面处理。例如，包含铁纳米颗粒的复合材料可以纹理化有微米或纳米尺寸的特征(例如，钉或孔)，以产生防结霜和无线电波吸收效果。在多个实施方案中，复合板的不同部分可以设置有更多的无线电波吸收特性，并且另一些部分可以具有更大的疏水特性。在另一个实施方案中，航空器的表面可以具有分级结构，其中较大结构的特征长度被设计成吸收无线电波，较小结构的长度被设计成疏水的以排斥水和冰。分级的尺寸的实例可以是与微米级或纳米级特征组合的毫米级的较大特征。
防结霜/防雾与UV和IR吸收的组合。在该实施方案中，可以制造汽车风挡以防止在其外表面上形成霜，以及防止在其内表面上形成凝结。还可以使风挡吸收或散射来自太阳的UV光，以及吸收IR光(例如，在炎热天气中调节汽车内的温度)。例如，多功能表面可以包括这样的玻璃风挡：其内侧或外侧经纹理化以具有尺寸小于400nm的一些结构，以及尺寸大于100nm的一些结构。较大的结构将抑制霜形成，同时仍然允许可见光通过；较小的结构将促进UV散射和/或吸收。该实施方案还可以具有半导体纳米颗粒的涂层，所述半导体纳米颗粒具有能够实现IR吸收的带隙，同时足够小以避免使可见光散射。可以将该涂层施加至窗户然后进行纹理化以能够实现防雾特性，同时保持对可见光透明并且对UV光不透明。之后也可以施加纳米颗粒的涂层。
任意组合地防雾与UV吸收、偏振、离轴光抑制(off-axis light rejection)和防反射的组合。在该实施方案中，制造镜片(用于护目镜、眼镜、面罩或其他眼部佩戴物)以具有特定的纳米纹理。纳米纹理的尺寸能够实现UV吸收和防雾，同时高度能够实现可见光的防反射，并且形状能够实现偏振。例如，使用非球形纳米颗粒(例如椭圆形纳米颗粒)将能够实现偏振控制。为了实现这些效果，需要实现以下条件：1)结构必须足够大以使进入的UV光散射。例如，该结构可以具有各自的宽度为100nm至300nm的要素。2)为了实现防雾，结构的间隔距离应不大于在结构的预期湿度和表面温度操作条件下水滴的特征尺寸。例如，间隔可以小于10微米。3)为了实现防反射，纳米结构应具有垂直高度，使得由空气和纳米结构形成的有效介质被定制以确保防反射条件。4)为了实现偏振控制和离轴光抑制，纳米结构应在多个尺寸中的一个或更多个中各向异性。例如，形成结构的要素可以以大于1(例如1.5)的纵横比伸长。例如，纵横比可以被认为是细长形状的纵向轴线与横向轴线之间的比率。纳米结构也可以倾斜，使得光在一个方向上的路径差与在另一个方向上的路径差不同。纳米结构也可以倾斜，使得结构在光行进的方向上的特征尺寸(例如，构成要素之一的尺寸，例如纳米柱状物宽度或高度)小于散射尺寸(例如，对于可见光为400nm)，并且在不同方向上大于散射尺寸(例如，大于400nm)。
防雾/防结霜与宽带防反射和宽带吸收和导电性的组合。在该实施方案中，将一系列结构和层添加至太阳能电池中以提高其效率(即，将太阳光转换成电能的能力)。可以将具有各种带隙的纳米颗粒的一个或更多个层添加至太阳能电池的顶部表面以增加光吸收的范围。这允许太阳能电池捕获更大百分比的来自太阳的光，因为太阳能电池可以吸收更宽范围的波长。为了便于收集这些层中由光吸收产生的电子，可以使纳米颗粒之间或纳米颗粒与基底(或周围介质)之间的连接导电，以使能量能够被太阳能电池基底收集。还可以将层添加至纳米颗粒吸收体层的顶部，以抑制太阳能电池的表面上的霜形成或灰尘收集，并因此提高收集效率。此外，可以设计一个或更多个层以发射其中存在至太空的(space)大气波长窗口的中长波长范围内的红外波段(约8微米，例如在7.5微米至8.5微米范围内)的辐射。由于将光发射至冷的黑暗太空中，这种发射即使在明亮的阳光下也可以用于冷却太阳能电池以提高效率。换言之，添加至太阳能电池的改性层可以设计成发射红外波段以通过将热辐射至太空中来冷却太阳能电池。在另一些实施方案中，可以定制太阳能电池的底部以促进太阳光朝向太阳能电池的吸收区域返回的散射。在一些实施方案中，可以对太阳能电池的底部进行改性以包括上转换纳米颗粒以将较长波长的光子转换为较短波长的光子以增加它们的收集。来自这些较短波长的光子的能量可以在靠近它们转换的位置被收集，或者可以被反射回到电池的主要部分中以在更理想的位置被吸收。
在制造纳米颗粒的单个单层、纳米颗粒的多个单层、或对表面特性进行改性的更复杂结构时，可以控制几种参数以实现期望的特性。例如，可以控制纳米颗粒的尺寸和组成以实现期望的功能，例如防雾、可见光透射、UV阻挡和抗蚀刻。纳米颗粒聚集也是可以被控制的参数。例如，在喷涂期间，颗粒上的静电荷或施加至喷嘴的超声能量可以影响纳米颗粒之间的聚集并引起不均匀沉积。控制静电和超声能量输入电荷可以允许纳米颗粒受控地扩散至基底上。例如，一个目标可以是具有少于3个团聚的纳米颗粒。在一些实施方案中，可以在施加纳米颗粒之前将表面涂层喷涂在基底上或纳米颗粒上。还可以控制流体参数以优化喷涂。例如，粘度、挥发性和介电常数以及液体使颗粒悬浮的能力是在选择液体时要考虑的特性。例如，在一些实施方案中，液体的介电常数高于10。另一个要考虑的参数是待喷涂的表面的表面张力。在一些实施方案中，表面张力与所喷涂的流体匹配。还可以考虑基底的表面电位。
图8示出了对可见光基本上透明而基本上阻挡UV光的示例性表面。与可见光相比，UV光具有更短的波长。与入射的可见光相比，具有纳米结构化表面的相同表面对入射的UV光显得不同。在该实例中，表面(805)包括不均匀的锯齿状纳米结构(806)，当以放大方式观察时该锯齿状纳米结构可以被描述为粗糙的。UV光将经受显著的散射，并且透射的光(815)的全部总强度将低于被反射的光(810)。然而，对于可见光(821)的情况，相对于UV光的情况，相同的结构将显得具有更小的尺寸或粗糙度。换言之，对于可见光的情况，纳米结构将显得小。粗糙度降低(相对于入射光的波长)将导致散射减少，并且光(820)的总透射强度将高于反射光(825)的强度。由于波长的差异，表面对UV光显得粗糙而对可见光显得平滑，引起散射的差异。
图9示出了用于UV阻挡和可见光透射的示例性表面，如以上关于图8所述。在该实例中，表面包括尺寸为100nm至200nm的非均匀锯齿状纳米结构。该结构还可用于防结霜应用。尺寸在40nm范围内的结构在对可见光透明的同时可以用于防结霜应用，而将尺寸增加至100nm至200nm还允许UV阻挡。实际上，如果液滴的尺寸大于40nm，则尺寸在40nm范围内的结构允许防雾，因为在这种情况下液滴被阻止形成或附着至表面。如果结构具有100nm至200nm范围内的尺寸，则液滴的尺寸仍然更大，因此保持了防雾特性，同时增加了UV阻挡的附加功能。
在一些实施方案中，表面可以被图案化以限定纹理化区域和非纹理化区域，在一个实施方案中，纹理化区域和非纹理化区域将产生成雾区域和防雾区域。例如，可以以受控方式喷涂纳米颗粒。可以调节喷涂图案以具有细尖笔的形状。喷涂图案的截面与待图案化区域的最小特征相同。例如，如果具有不同特性(例如成雾与防雾)的区域为x微米宽，则喷涂的纳米颗粒悬浮体的截面也将为x微米宽。由于喷涂的空间选择性，仅被涂覆的区域具有防雾特性。在一些实施方案中，喷涂机可以实现约1微米的点尺寸。在一些实施方案中，喷涂可以用喷墨实现。
在另一些实施方案中，荫罩可以用于阻挡表面的某些区域被喷涂上。在喷涂和除去荫罩之后，如果放置在相应的环境条件下，则表面的阻挡区域将会成雾，而未阻挡区域将不会成雾。以上方法的可能应用是在不同表面上制造标志。例如，一个示例性应用是酒店浴室镜子，其除了镜子的将成雾以显示酒店品牌标志的小区域之外不会成雾。在另一些实例中，可以在表面上设计其他类型的文本。
在一些实施方案中，可以通过在材料片(例如金属片)中产生孔来制造标志。孔可以成形为形成文本或图像，例如品牌标志。随后，可以通过喷涂将纳米颗粒掩模和蚀刻通过金属片施加至另一个基底。如果使用金属片制造镜子，则纳米颗粒将以品牌标志的形状涂覆镜子。该有限的表面将具有防雾特性，不同于表面的如果湿度足够高则将成雾的其余部分。相反情况(其中仅标志或期望的图案成雾而其余部分不成雾)也是一种选择，这取决于金属中的孔的形状和随后的处理步骤。
在一些实施方案中，根据本公开内容制造的结构是在材料磨损时暴露新的纳米纹理的耐磨结构。设计并制造结构以保持其功能完整，一旦外层(与环境接触)逐渐磨损，就逐渐暴露内层。例如，结构可以包括多个层(例如，高结构)，但是具有分级结构，使得当结构的顶部部分被除去时，结构的中间部分和基础部分继续具有可用的防雾纹理。
在一些实施方案中，分级表面的制造允许实现具有不同特性的表面，例如具有UV保护和防雾能力二者的表面。例如，可以使用各自具有不同数目的颗粒的不同的层，或者各层具有不同尺寸的颗粒。在这些实施方案中，结构的尺寸允许可见光透过表面，同时阻挡UV光。可以将颗粒定位得足够近以控制结构的疏水性，或者允许防雾效果。在一些实施方案中，可以使用细长颗粒代替球形颗粒用于偏振控制。例如，可以使用棒或椭圆体。
在一些实施方案中，可以通过增加结构的纵横比来实现防反射。例如，高结构可用于防反射。结构中每个要素的最大宽度将控制对特定波长的透明度。例如，参照图9，每个峰(905)具有高度和最大宽度。峰可以表示锯齿状结构，或者，在另一些实施方案中，结构可以由纳米柱状物、微柱状物或由颗粒的结构化层而形成。例如，可以布置颗粒以形成柱状物。这些峰的高度可以控制表面的反射率。因此，具有较高峰的结构可以给予表面防反射特性。峰的宽度(例如纳米柱状物的宽度)可以控制对某些波长的光的透明度。控制光透射的几何尺寸是形成结构的要素在入射光的方向上的最大宽度。例如，如果最大宽度为100nm至200nm，则可以有效地阻挡UV光，同时透射可见光。
在一些实施方案中，可以根据下文描述的构思对表面进行改性以具有防反射或高反射特性。
在一些实施方案中，以一定方式使表面纹理化，以与未纹理化表面相比增加或减少入射在表面上的光的反射率。在这些实例中，表面纹理的特征横向尺寸小于光的波长。表面纹理可以包括多种要素，例如纳米颗粒、或纳米颗粒组、纳米柱状物、纳米棒、不规则锯齿状峰、均匀三角形结构或其他类型的结构。构成整个表面纹理的要素的横向方向可以定义为在表面的平面中，例如为每个纳米柱状物的宽度，或者如果柱状物的宽度不均匀则为纳米柱状物的平均宽度。
可以设计纹理垂直于表面的深度以改变表面的折射率。例如，柱状物的高度将控制表面纹理的折射率。表面上的结构的深度引起特定波长或波长范围的光的相长干涉或相消干涉。如本领域普通技术人员所知，电磁辐射将在具有不同折射率的材料之间的各个界面处经受反射和透射。在适当的条件下，例如在具有纳米级或微米级的尺寸的结构中，电磁辐射将经受干涉，可能是相长的或相消的。该效应可以根据在该特定波长处期望相长干涉还是相消干涉通过相应地选择每层的厚度来控制。在使用吸收材料制造纹理化表面的实施方案中，与未纹理化表面相比，表面反射率的改变还可以增加或减小特定波长或波长范围的入射光的吸收率。在使用透明材料制造纹理化表面的另一些实施方案中，与未纹理化表面相比，表面反射率的改变可以增加或减小特定波长或波长范围的入射光的透射率。
还可以通过设计表面结构来控制表面的偏振特性。在一些实施方案中，使表面以这样的方式纹理化，使得入射在表面上的光的反射、透射或吸收取决于入射在表面上的光的偏振。例如，从环境反射的光可以具有优选的偏振。表面可以响应这种偏振以减少反射；例如，这种效应可以用于太阳镜。在这些实施方案中，表面纹理的特征横向尺寸小于入射光的波长。在这些实施方案中，横向方向定义为表面的平面中的横向方向，例如，由平行于表面的纵轴形成的束的长度。在一些实施方案中，可以使用具有二向色性或双折射特性的材料制造表面。在一些实施方案中，可以使用由单个材料或材料的组合的改性而产生的具有二向色性或双折射特性的材料制造表面。在一些实施方案中，可以使用由掺杂碘的聚乙烯醇合成的塑料制造表面。在另一些实施方案中，可以使用由于材料的固有原子结构而具有二向色性或双折射特性的材料制造表面。
在一些实施方案中，可以以这样的方式使表面纹理化，使得入射在表面上的光的吸收取决于光辐射的电场的定向。因此，表面可以获得偏振效应。在这些实施方案中，可以使用具有有限厚度的吸收层的材料在具有不同光学特性的材料的顶部上制造表面。在这些实施方案中，表面纹理延伸至垂直于表面的深度，且在吸收层中没有不连续。在这些实施方案中，该结构在平行于入射光(入射电磁辐射)的电场方向上相对于垂直于电场的方向(在其上照射电磁辐射的表面的平面中)是不对称的。由于不对称性，与具有垂直于细长轴的电场的辐射相比，具有平行于结构的要素伸长的方向的电场的辐射优先被吸收。总效应是该结构具有偏振特性。细长结构可以以不同方式实现。例如，如果各颗粒或棒的纵轴在共同的平行方向上取向，则可以使用细长的椭圆形颗粒或纳米棒。
通过考虑彼此间隔开并且彼此平行的导线阵列(如图25所示)，可以理解偏振效应。图25示出了对于500nm的入射辐射，宽度(对于具有矩形截面的导线)或直径(对于具有圆形截面的导线)为50nm且间隔为250nm的示例性导线。因此，间隔与入射波长大致相当(或略小于入射波长)，而宽度远小于波长。在具有如(2015)中(在该图的平面中)的在平面中定向的电场以及如(2510)的相应磁场的入射波的情况下，相对于具有方向(2510)上的电场的辐射，辐射将优先被平行于导线(2505)的纵轴的方向(2015)上的电场吸收。因此，包括导线阵列的表面是偏振敏感的。
通过在表面上喷涂(或浸渍)细长颗粒或纳米棒或者通过在表面上蚀刻束可以实现类似的结构。例如，喷涂或浸渍期间的定向可以在施加的电场、磁场或电场和磁场二者下进行。如果细长颗粒是电偏振的或者对磁场敏感，则颗粒可以在沉积期间沿平行方向取向。例如，以上本公开内容描述了如何使用无机前体使颗粒在表面上的稳定结合。如果颗粒是细长的，则在偏置场下进行的涂覆可以单独或与如上所述的其他表面改性(UV阻挡、防雾等)组合使得产生偏振敏感表面。
在一些实施方案中，为了产生偏振敏感表面，与平行于入射电磁波的电场的方向上的不连续点之间的间隔相比，在垂直于电场的方向上的不连续点之间的横向间隔更小。在一些实施方案中，通过在未纹理化吸收层上沉积颗粒来产生纹理化表面。在这些实例中，颗粒具有特征轴。沿着该特征轴，与轴的沿垂直于特征轴的尺寸相比，颗粒的长度是其至少两倍。
颗粒可以优先在特定的横向方向上取向，并且在一些实施方案中，颗粒用作掩模以将图案转移到下面的表面中。所得的纹理化表面导致入射在表面上的光的吸收，其取决于光的偏振。在一些实施方案中，细长颗粒具有电极性或磁极性，使得颗粒可以利用外部施加的电场或磁场在未纹理化表面上取向。在一些另外的实施方案中，细长颗粒具有电极性或磁极性，使得颗粒可以通过彼此的电磁相互作用在未纹理化表面上取向。在另一些实施方案中，细长颗粒附接至其他分子，使得颗粒可以通过分子之间的化学反应布置在未纹理化表面上。在一些实施方案中，细长颗粒附接至脱氧核糖核酸(DNA)分子，使得颗粒可以通过DNA自组装布置在未纹理化表面上。
在另一些实施方案中，使用赋予颗粒沿着特定横向方向的速度的方法将细长颗粒施加至未纹理化表面，从而引起颗粒取向使得它们的最长尺寸在相同方向上定向。在另一些实施方案中，将细长颗粒施加至未纹理化表面，随后在特定横向方向上拉伸未纹理化表面，从而引起颗粒取向使得它们的最长尺寸在相同方向上定向。在一些实施方案中，细长颗粒通过与已经被图案化在表面上的特征的化学或电磁相互作用而布置在未纹理化表面上。在一些实施方案中，细长颗粒将具有与入射波长相当的纵向长度，以及小于入射波长的宽度(平面内)。图25示出了沿其极性轴取向以形成功能上等同于导线(2505)的结构的细长颗粒(2520)的实例。
在一些实施方案中，可以以一定方式使表面纹理化以限制光相对于表面透射或反射的角度。例如，这样的表面可以用作隐私屏幕，以限制从某些角度观看计算机屏幕。在这些实施方案中，垂直于表面的纹理深度大于光的波长。例如，如果纳米柱或纳米束的高度大于入射光的波长，则将限制在某些角度下的反射。例如，将限制大于某一值的角度下的反射，因此仅基本上面向屏幕前方的观看者才能够辨别屏幕上的细节。在一些实施方案中，纹理化区域内的空隙(例如纳米柱之间空的空间)部分或完全地填充有不同折射率的材料。以这种方式，纹理化区域通过填充材料而机械强化。在一些实施方案中，纹理化区域填充有基于溶液的聚合物，其随后固化以形成固体基体。具有高纵横比柱状物的结构可以理解为用作垂直光纤阵列。当离开光纤时，光纤的内部反射将它们的发射限制为锥形。类似地，可以理解，来自特定角度的光将能够进入柱状物的顶端。在一些实施方案中，通过柱状物离开结构的光可以以与平行光纤阵列类似的方式起作用。无论哪种方式，都可以通过设计来控制光在特定角度下的反射或透射。在一些实施方案中，具有高纵横比的柱状物可以控制表面的反射率。可以根据本公开内容中描述的原理控制另外的特性。例如，如果每个柱状物的宽度为约100nm至200nm，则结构可以阻挡UV光，同时对可见光透明。
在下文中，将参照图26至30说明改变表面特性的一些实施例。例如，图26示出了用以上参照图1至7描述的任何方法沉积在表面上的示例性单层微球(2605)。图26还示出了使用纳米颗粒或微球作为蚀刻掩模的示例性方法。颗粒(2615)可以以期望的图案沉积，例如以平行的行或虚线平行线沉积。随后通过蚀刻剂进行蚀刻步骤，该蚀刻剂可以蚀刻基底而不蚀刻颗粒(或者至少在这两种材料的蚀刻速率方面有显著差异)。因此，基底的未被颗粒覆盖的区域被蚀刻(2610)，在基底上形成例如平行束(对于平行的颗粒行)或纳米柱(对于虚线平行的颗粒线)。因此，上述蚀刻过程可以被认为是各向异性的。随后，根据应用，颗粒可以被除去或留在表面上。例如，图26示出了每个束上的单个颗粒，然而，也可以替代地沉积许多具有一个或更多个单层颗粒的区域。因此，未被蚀刻剂侵蚀的表面可以具有由颗粒结构改性的表面特性，如以上在本公开内容中所述。还可以随后例如通过添加另外的纳米颗粒结构来处理经蚀刻的表面以进一步改变基底的物理或化学特性。
例如，如图28所示，另外的颗粒可以沉积在束或柱状物的表面上、在间隔内。在一些实施方案中，可以在横向沉积在束或柱状物上的颗粒之间留下间隔。例如，间隔可以为颗粒直径的两倍大，但也可以更小或更大。这些颗粒可以用于改变表面特性。在一些实施方案中，颗粒也同样可以用作蚀刻剂掩模，以在柱状物的侧面上产生另外的结构，例如图27中(2705)所示。在一些实施方案中，可以一次控制表面的若干特性。例如，图27中的束或柱状物的高度以及间隔可以控制对特定波长的透明度、偏振敏感性以及特定角度下的反射率。例如，高纵横比结构可以控制反射率，而结构的要素之间的间隔以及结构的要素的高度和宽度可以控制偏振敏感性和特定波长下的透明度(例如UV阻挡)。
图27示出了可以用于雷达反射(例如用于制造雷达隐身表面)的示例性凹槽或角锥体(2710)。例如，凹槽可以具有雷达中使用的波长量级的横向或深度尺寸。凹槽阵列可以控制表面的雷达反射率。还可以用以上在本公开内容中描述的方法进一步改变凹槽以添加另外的特性，例如防雾或防结霜。例如，图28示出了具有以较小比例添加的另外结构的凹槽或角锥体。例如，可以通过使用如图26(2610)或图27(2705)中的颗粒掩模来蚀刻束或柱状物(2810)。在一些实施方案中，凹槽或角锥体可以具有毫米范围内的尺寸，而另外的纹理如(2810)可以在纳米范围内。可能的应用可以是制造抵抗结霜和具有较低雷达特征信号的表面(例如飞机机翼)。在一些实施方案中，在图28中的结构的沟槽中沉积的颗粒之间的间隙基本上为颗粒直径的两倍大。在图27中，形状可以表示角锥体。
参照图27和28，例如，如果(2710)或(2810)中表面的粗糙度为50nm至1微米，则可以实现还对雷达具有低可见度的固有防结霜结构材料。在一些实施方案中，表面可以包括诸如(2705)的小结构阵列。每个倒置角锥体(2710)或凹槽的横向尺寸可以是一毫米的量级。
图29至30示出了示例性结构阵列。例如，可以使用从图29的上方观察的纳米柱阵列(2905)或矩形截面结构阵列来控制表面特性。图30示出了表面上的结构的侧视图，其中结构具有倾斜的侧表面(3005)。在一些实施方案中，另外的材料可以存在于顶部(3010)。可以例如通过如图26所示用颗粒掩蔽来制造图30的结构。还可以在图30的结构上涂覆颗粒以进一步改变表面的特性。
在图30中，可以区分三个不同的区域：具有折射率n1的具有基底的第一区域(3015)、具有折射率n2的第二区域(3025)(例如空气)和具有第三(有效)折射率n1(z)的第三区域(3020)。第三区域可以包括具有第一折射率和第二折射率二者的区域。对于第二区域的介质存在于第三区域的要素的间隔之间的情况(例如，束之间的空气)，第三区域的有效折射率可以计算为第一区域和第二区域的折射率的几何平均值，如本领域普通技术人员所理解的。可以在第三区域中制造改变表面对入射光的特性(例如透明度)的结构。在一些实施方案中，第三区域的厚度、深度或高度等于第三区域的入射波长与有效折射率之间的比率的1/4。可以控制图30中要素的高度、间隔和厚度，以调节表面响应电磁波的方式。例如，如果要素之间的间隔小于入射波长的一半，则其可以阻挡入射波长。
例如，如果要素之间的间隔为约250nm，则如图30中的结构可以阻挡UV光并且对可见光透明。该间隔将阻挡UV光，因为UV光具有与该间隔相当的波长(例如40nm至400nm)，而波长为500nm或更大的可见光将透过该表面。如果图30的结构被设计成阻挡UV并且对可见光透明，则还可以另外对其进行改性以具有其他特性，例如防雾或防反射。结构的厚度影响入射电磁波的透明度的一种方式是由于每个边界处的反射——例如材料与空气之间的边界。来自不同边界的反射可以以相长或相消方式干涉。如果包括结构的第三区域被认为具有有效(例如几何平均)折射率和厚度，则可以考虑在第一区域与第三区域之间以及第三区域与第二区域之间的边界处的相长干涉或相消干涉以控制结构对入射电磁波的透明度。
参照图26，结构可以包括特定直径的InGaAs颗粒(2615)，以吸收红外光。颗粒的直径将控制结构中的要素的宽度。结构的深度(高度)可以控制表面的反射特性。要素之间的间隔可以控制表面的防雾特性。在一些实施方案中，结构的高度可以为约400nm。
图36示出了多功能结构(3605)的示例性实施方案。在该实例中，结构包括重复的柱状物阵列，每个柱状物具有沟槽，与图27类似。在一些实施方案中，可以通过使用颗粒作为蚀刻掩模的差分蚀刻来制造沟槽。在该实例中，所得结构被单层颗粒覆盖。柱状物的横向尺寸(3610)可以表示为x，柱状物的高度(3615)可以表示为y，另一横向尺寸(3620)可以表示为z。可以改变这些参数以控制不同的表面特性。此外，还可以指定其他参数，例如材料选择或柱状物之间的间隔。例如，如果x为50nm至250nm，则其将能够实现UV阻挡；如果y为入射波长的约四分之一，例如y＝150nm，则其将能够实现防反射；如果z大于x，例如如果z为x的至少三倍，则表面将是极化的。此外，如果形成单层的颗粒具有小于200nm的直径并且由吸收材料制成，则颗粒可以提供IR吸收。例如，颗粒可以由Si、GaAs或类似的吸收材料制成。如果x和z小于400nm，则表面对可见光透明。如果y大于x，例如为x的至少5倍(或3倍)大，则表面将提供角度选择性(例如，用于隐私屏幕保护器)。在一些实施方案中，x和z的值可以基本相等。
鉴于以上，在图36的实例中，在x＝z＝200nm，y＝150nm，并且在直径为50nm的Si颗粒的情况下，可以实现UV阻挡、防反射、IR吸收、对可见光透明的表面。
图31示出了可以包括在结构中的示例性要素，如美国专利第8691104号中所述，其公开内容通过引用整体并入本文。在一些实施方案中，除了如上所述的其他特性之外，控制表面的疏水性可以如下文中所述以及如美国专利第8691104号中所述来进行。在一些实施方案中，如图31中从表面突出的结构也可以在负空间变体中实现。例如，在图31中，如果将形状的方向在该图的平面中反转180°，则也可以将该形状视为材料中的凹槽或沟槽。这些形状可以被认为是视为从表面突出的形状的凹入或倒置变体。具有这些形状的结构可以以任何权重相加或相减地组合以产生其他期望的形状。
例如，对于固定的宏观表面积，微观表面积可以变化并且可以通过使表面纳米纹理化(例如，通过在表面上提供纳米结构)来控制，从而提供增加的微观表面积。特别地，根据本公开内容，通过每单位面积更多数目的纳米结构可以实现更高的微观表面积，从而在固定的宏观表面积上获得更高的微观表面积。影响液滴特性的纹理的尺寸也可以是微米尺寸，因此本公开内容中提及的纳米纹理的尺寸不应被认为限于小于1000nm的尺寸。
特别地，在一些实施方案中，通过控制液体与表面形成的接触角，可以控制表面的润湿性。在一些实施方案中，表面的比表面积越高，对流体与表面的接触角的影响越大。例如，为了与流体具有低接触角的特别高润湿性(例如亲水)的表面，为表面提供纳米结构从而为表面提供相对于没有纳米结构的表面增加的比表面积，可以为表面提供与流体具有更低的接触角的超高润湿性(例如变得超亲水)。
如本文所用的术语“比表面积”是指每单位质量的总表面积、截面积或其他限定面积。例如，两个表面可以在相同的宏观表面积上具有不同的比表面积，例如，通过提供具有粗糙度的表面。预期粗糙度高于第二表面的第一表面具有比第二表面更高的比表面积。
关于纳米结构特征，如本文所用的术语“高度”是指纳米结构从其在表面处的基部到其远端的高度。
关于纳米结构特征，如本文所用的术语“距离”是指纳米柱之间的距离，该距离可以从一个纳米结构的基部的中心到另一个纳米结构的基部的中心来测量；或者从一个纳米结构的远端的中心到另一个纳米结构的远端的中心来测量。
关于纳米结构特征，如本文所用的术语“直径”是指横跨柱状物基部的最大距离。关于纳米结构特征，术语“直径”与术语“宽度”可互换，因为纳米结构基部未必是圆形的，也可以是方形矩形或不规则形状。
如本文所用的术语“透明”是指特定波长范围的光穿过材料/表面而不使光散射或光散射极小的能力。因此，由光散射引起的一些量的光学损失可能导致半透明材料/表面，其是根据本公开内容的透明材料/表面的子集。如本文所用的术语“透明度”是指具有允许光穿过材料/表面而不使光散射或光散射极小的能力的材料/表面的特征。因此，术语透明度可以参考特定波长范围的光来使用，例如，可见光、红外光、紫外光等。
关于纳米结构特征，如本文所用的术语“壁粗糙度”是指沿着纳米结构的壁(包括纳米结构的所有表面)的粗糙度，并且区别于术语“表面粗糙度”。壁粗糙度可以是表面材料的不同物理状态的结果，例如材料的无定形与结晶形式，无定形形式具有更光滑的表面，结晶形式具有由微晶产生的更粗糙的表面。作为另一个实例，壁粗糙度可以是材料的孔隙率的结果，较高的孔隙率导致与较低孔隙率的材料相比更粗糙的表面。作为另一个实例，壁粗糙度可以是将涂层施加至包含颗粒的壁涂层的结果，这导致表面粗糙。
如本文所用的术语“纳米结构”是指从与柱状结构基本垂直的表面突出的柱状结构。本公开内容意义上的纳米结构包括例如纳米针、纳米柱和纳米锥。包括纳米柱、纳米针和纳米锥的本公开内容的纳米结构可以从纳米柱的顶部至底部垂直于表面(倾斜角≈0)；或者可以是锥形或针状结构，其在表面(锥形或针状结构从该表面突出)处具有更宽的端部并到达远离所述表面的点(倾斜角≠0)。根据本公开内容的纳米结构的尺寸范围可以为5nm至100微米。
更特别地，关于纳米锥，纳米锥可以包括纳米锥形结构，其中纳米锥的基本上倾斜的表面是凹面或凸面。可以通过测量水滴在表面上的接触角来分析表面的润湿性(例如疏水性或亲水性)。具有约90°至150°的高接触角的表面在本文中可以定义为具有低润湿性(例如疏水表面)。具有约150°至180°的更高接触角的表面在本文中可以定义为具有超低润湿性(例如超疏水表面)。具有约20°至60°的低接触角的表面可以归类为具有高润湿性(例如亲水表面)。具有约0°至20°的更低接触角的表面可以归类为具有超高润湿性(例如超亲水表面)。
在一些实施方案中，液体的流体特性可以通过包含有表面的材料的类型和表面的纳米结构特征来控制。特别地，包含纳米结构的表面可以用于为表面提供控制流体特性。更具体地，纳米结构的构造可以基于平均高度(h平均)、平均倾斜角(i平均)和纳米结构之间的平均距离(d平均)为表面提供流体特性的控制。
在一些实施方案中，可以通过测量包含纳米结构的表面与液体形成的接触角并将该接触角与期望的接触角进行比较，来估计特定构造的纳米结构的功效，特别是特定平均高度(h平均)、平均倾斜角(i平均)和彼此之间具有平均距离(d平均)的纳米结构的功效。
在一些实施方案中，表面是刚性表面。本公开内容的意义上的刚性表面包括不会因所施加的压力而容易变形的材料。例如，刚性表面可以包含金属、陶瓷、蓝宝石、氟化物光学器件和玻璃。根据本公开内容的金属可以包括但不限于过渡金属或过渡金属合金；任何p区金属或p区金属合金；以及半导体或半导体合金。根据本公开内容的玻璃包括但不限于硼硅酸盐、氟硅酸盐、磷硅酸盐、硼磷硅酸盐和铝硅酸盐，其他类型的基于硅的玻璃和金属玻璃。
可以如下使雾化最小化：通过促进凝结物的润湿以避免形成光散射液滴，或者通过降低表面润湿性(例如增加疏水性)，使水滴成珠并迅速流走。可以如下改变表面的润湿性：通过沉积不同润湿性的薄膜(例如亲水膜或疏水膜)，或者通过并入促进水扩散或使水扩散最小化的纳米结构以受控方式有意地增加其粗糙度。
在一些实施方案中，已经显示表面粗糙度通过在表面和液滴之间产生更大的接触面积来增加或降低润湿性(例如，以增强疏水性或亲水性)。接触角的这种变化改变了液-气-固平衡的动力学并且可以增强润湿性或缺乏润湿性。因此，略微可润湿(或略微疏水)的表面可以通过添加粗糙度或纳米级表面纹理而变成超可润湿表面(或超疏水)，并且液体可以实现亚稳态，其中液滴被悬浮，在液滴底部产生另外的液/固/气界面。
如本文所用的术语“阻力”是指特定流体发生表面润湿的速率。例如，两个不同的表面相对于特定流体可以具有相同的润湿性，然而，如果一个表面对流体具有更大的阻力，那么即使表面润湿的最终状态可能相同，其也可以具有较低的润湿速率。
在一些实施方案中，表面的纳米结构可以导致表面与接触表面的流体之间的阻力增加。此外，纳米结构上的粗糙度可以在表面与流体之间提供另外的阻力。壁粗糙度/纳米结构粗糙度可以是表面材料的不同物理状态的结果，例如材料的无定形与结晶形式，无定形形式具有更光滑的表面，结晶形式具有由微晶产生的更粗糙的表面；壁粗糙度可以是材料孔隙率的结果，较高的孔隙率导致与较低的孔隙率材料相比更粗糙的表面；以及壁粗糙度可以是将涂层施加至包含颗粒的壁涂层的结果，这导致表面粗糙。
纳米结构之间的距离、纳米结构的高度和纳米结构的宽度可以产生各种阻力以消除由高度、距离、宽度和倾斜角/曲率产生的间隔。因此，通过控制高度、距离、宽度和倾斜角/曲率，可以控制表面对流体的阻力，从而产生不同的润湿特性。
在一些实施方案中，根据本公开内容的实施方案，在平坦表面上具有较低润湿性的基本上平坦的表面(未纳米结构化的)可以通过使表面纳米结构化而表现出增加的润湿性。例如，如果基底材料固有地具有低润湿性并因此基本上避免润湿，则为表面提供纳米结构可以增加其润湿性，并因此可以控制润湿速率。此外，通过为表面提供具有适于增加润湿性的纳米结构，随后在表面上提供涂层，其中涂层本身固有地表现出低润湿性(例如疏水)；可以基于相反的润湿性特性(即涂层具有低润湿性(例如疏水)，纳米结构化表面具有高润湿性(例如亲水))来控制润湿速率。
例如，表面上的纳米结构构造可以构造成增加或降低表面的润湿性，并且涂层可以基于涂层的润湿性(例如涂层是疏水或亲水的)来选择。基于相反的润湿性特性选择表面构造和涂层，使得涂层具有较低的润湿性(例如疏水)，并且可以提供控制涂覆的纳米结构化表面的润湿速率的手段。
例如，所产生的典型玻璃表面的Ra(RMS)小于约0.5nm。包含纳米结构的本公开内容的表面可以在1nm至400nm的范围内，其在微观上比典型的玻璃表面更粗糙，同时在宏观上仍然呈现为光滑表面，即，看起来类似于在纳米结构制造之前的相应表面。在一些实施方案中，包含纳米结构的本公开内容的表面可以为约30nm。如本文所用的术语“润湿”是指液体与固体表面保持接触的能力，并且可以与接触固体表面的液滴表面积相对于液滴总体积的比率相关，其中接触表面积相对于总体积越大，润湿性越大。
考虑到纳米结构化表面中的光透射，结合期望尺寸的纳米结构考虑距离和宽度的特征二者以避免光散射。例如，两个特征都小于光透射所期望的波长可以避免光散射。
纳米结构之间的距离和纳米结构的宽度可以构造成对于给定的光波长范围保持表面的透明度。例如，约10:1的波长相对于特征尺寸的比率可以提供更高的透明度。然而，可以以小的透明度损失使用较小的比率。
因此，相对于给定波长的光增加特征尺寸可以降低表面相对于该波长的光的透明度，而相对于给定波长的光减小特征尺寸可以增加表面相对于该波长的光的透明度。
根据期望光穿过表面的光的波长，目标特征尺寸可以变化。例如，如果期望紫外(UV)光穿过表面，假定UV光的范围为10nm至400nm，则可以在期望UV光穿过的表面上使用比期望可见光穿过的表面上小得多的特征尺寸，假定可见光范围为400nm至750nm。因此，期望光穿过表面的光的波长越小，特征尺寸就可以越小。然而，根据期望的透明度标准，尺寸等于所选波长范围的最低波长的纳米结构的尺寸可以为纳米结构化表面提供约10％的透明度损失。
虽然对于一些应用可以考虑某一波长的光的透明度，但是如果期望对液体的流体特性进行控制的表面是非透明表面，则可能不需要这种考虑。例如，如果期望控制流体特性以在船体上实现防污特性，则可以基于期望的接触角来选择纳米结构的尺寸和周期性，并且不需要考虑光的穿过。
在一些实施方案中，可以基于磨损率来选择纳米结构的高度。例如，光学透镜上的包括纳米结构的表面可能比船体或飞机上的包括纳米结构的表面经受更少的磨损。因此，较大的纳米结构高度可以用于预期发生磨损的应用中。因此，在较大的纳米结构高度的情况下，纳米结构可能比较短的纳米结构磨损更大的程度，然后流体特性的控制受到影响。
在一些实施方案中，基底的透明度不受基于纳米颗粒荫罩的蚀刻处理的影响。这是因为粗糙度的特征长度尺度为透射的可见光的波长的至少1/40。
在一些实施方案中，可以对表面进行改性以提高太阳能电池的效率。在图10中示意性地示出了用于该实施方案的示例性器件的器件层。图10包括：图a(1005)，示出了具有待喷涂在商业的或先前制造的太阳能电池板上的层的器件原理图；图b(1010)示出了示例性能带图，示出了电子传输层、空穴传输层和量子点(QD)吸收体层之间的关系；图c(1015)示出了仅具有空穴传输层(HTL)/电子传输层(ETL)的器件和具有ETL/QD吸收体/HTL的器件的模拟电流-电压曲线。
图10的结构包括底部电极层(1020)，其包括例如透明导电氧化物(TCO)和/或金属指状栅格阵列或用于电流收集的电极阵列。在该底部电极(1020)上，可以沉积电子选择性透明接触层(ETL，1025)。层(1025)使得能够朝向底部电极(1020)传输电子，并且阻挡空穴从有源半导体层(1030)和顶部接触电极(1040)传输至底部电极(1020)。接下来，可以沉积量子点/微粒层或有源半导体层(1030)。该层将吸收入射的太阳光子。在吸收体层(1030)上，可以沉积空穴传输层(1035)。该层类似于ETL，因为其阻止电子流入顶部接触电极。随后，可以沉积包括例如透明导电氧化物和/或金属指状栅格的顶部电极(1040)。
图10的图b示出了具有HTL(1037)、吸收体(1042)和ETL(1047)导带和价带示例性能带图的。该图显示了整个器件的导带(1050，EC)、价带(1060，EV)和费米能级(1055，EF)。如本领域普通技术人员所知，电子倾向于朝向能带图中的较低能量状态移动，而空穴充当具有有效正电荷的准粒子并且倾向于朝向能带图中的较高能级移动。
为了使器件按期望表现，ETL与吸收体层的导带差异必须小，同时HTL与吸收体层的价带差异必须小。HTL与ETL之间的电流也应存在显著的能垒。这通过图10的图c中的器件的示例性I-V曲线来量化，图10的图c有仅具有阻挡层的器件的曲线(1070)，和具有阻挡层和QD层的器件的曲线(1065)。具体地，可以注意到，仅有阻挡层的器件的开启电压(1075)显著大于另一器件的开启电压(1080)。
在一些实施方案中，包括顶部电极和底部电极二者的金属栅格应与先前制造的其上添加有喷涂光伏器件的光伏(PV)板(1045)的金属栅格间隔开。该方法使由金属栅格反射引起的光子损失最小化。此外，电池的尺寸可以与下面的PV板的尺寸相同。表1列出了每个层的材料选项的一些实例。电子传输层和空穴传输层的厚度可以在例如1nm至20nm的范围内，而吸收体层的厚度可以在例如100nm至5微米的范围内。在一些实施方案中，QD层可以包含纳米颗粒或微粒的单层。例如，可以使用直径约1微米的微粒或微球的单层。在一些实施方案中，QD层的最佳厚度为约1微米。通过具有复数个纳米颗粒单层，或者通过使用直径为1微米的颗粒的单层，可以实现1微米的厚度。在一些实施方案中，可以使用其他类型的太阳能电池代替光伏板。
在一些实施方案中，图10的示例性器件的布置还可以包括在PV板底部上的另一颗粒多层。该底部附件可以与顶部结构类似，或者具有不同的结构。在这些实施方案中，例如包括层(1020、1025、1230、1035、1040)的顶部结构允许吸收UV和可见光，而PV板可以吸收近红外光，并且底部结构可以吸收长波长红外光(比PV板吸收的波长更长)。可以通过在顶部、底部或顶部和底部二者的表面上廉价地沉积颗粒来大大提高PV板的效率。在一些实施方案中，层(1040、1035)和(1020、1025)各自的厚度可以为10nm至100nm，而QD层的厚度可以为约1微米。
使用微球的一个可能的优点是与较小的纳米颗粒相比缺陷减少，这是由于这样的事实：大多数缺陷存在于颗粒的表面上，并且较大的颗粒具有较大的体积与表面积比。在一些实施方案中，器件可以包括QD层和电极，没有ETL、HTL、或者ETL和HTL中的一者。结构可以通过如本公开内容中描述的液体沉积或本文描述的其他方法来制造。在一些实施方案中，具有不同尺寸的颗粒可以用在同一QD层中，例如，具有第一直径的颗粒的层和具有小于第一直径的第二直径的第二颗粒的层。具有较大直径的层也可以以多个层进行沉积，较小的颗粒填充较大颗粒之间的空间。可以向图10的结构在电极(1020)与(1040)之间施加电压，以优化器件上的负载。例如，结构可以在0.4V至0.5V下操作。在一些实施方案中，可以通过块状材料的球磨来制造颗粒，以产生微球或纳米颗粒。
表1
| 电子传输层 | 空穴传输层 | 底部吸收体层 | 顶部吸收体层 |
| TiO<sub>2</sub> | GaP | PbS | InGaP |
| WO<sub>3</sub> | AlSb | PbSe | CdSe |
| PbO | ZnTe | PbTe | CdZnTe |
| MnTiO<sub>3</sub> | NiO | HgS | AlGaAs |
| SnO<sub>2</sub> | AlCuO<sub>2</sub> | HgCdTe | CdSTe |
| In<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | MoO<sub>x</sub> | HgCdSe | CdSSe |
| Ca | WO<sub>x</sub> | Bi<sub>2</sub>Se<sub>3</sub> | CsPbCl |
| LiF<sub>x</sub> | CuPc | Ge | CsPbBr |
| CsF<sub>x</sub> | CuSCN | GaSb | CsPbI |
| KF<sub>x</sub> | CuO<sub>x</sub>：N | InGaAs | |
| CsO<sub>x</sub> | V<sub>2</sub>O<sub>x</sub> | ||
| MgF<sub>x</sub> | |||
| LaB<sub>6</sub> |
在一些实施方案中，将顶部和底部结构附接至PV板可以允许例如25％至50％的总效率，原因是在较大波长范围内的光吸收能力增加。在一些实施方案中，顶部结构的效率需要为至少13％，以不对下面的PV板的效率产生不利影响。仅将顶部结构添加至PV板的总效率可以为例如约25％。在下文中，参照表1描述了添加至PV板的层的材料选择。表1列出了任选的ETL层和HTL层的示例性材料，以及用于待沉积在PV板顶部上的结构的材料，和用于待沉积在PV板底部上的结构的材料。适用于相同目的的其他材料可以替代表1的材料。
电子传输层
电子传输层(ETL)的材料选项可以分为三类：1.宽带隙材料(例如，带隙Eg＞2eV)，其具有与半导体吸收体层的导带相匹配的导带；2.宽带隙材料，当沉积为无定形结构或以亚化学计量沉积时，其在半导体吸收体层的导带附近的带隙中形成缺陷态；3.极低功函数金属材料。在对电子传输层列出的材料中(表1)，TiO2、PbO、SnO2、In2O3属于第一类，LiFx、CsFx、KFx、CsOx、MgFx属于第二类，Ca和LaB6属于第三类。
空穴传输层
与ETL类似，空穴传输层(HTL)的材料选项可以分为两类：1.宽带隙材料(例如Eg＞2eV)，其具有与半导体吸收体层的价带相匹配的价带；2.宽带隙材料，当沉积为无定形结构或以亚化学计量沉积时，其在半导体吸收体层的价带附近的带隙中形成缺陷态。在对空穴传输层列出的材料中(表1)，GaP、AlSb、ZnTe、NiO和AlCuO2、CuSCN和CuPc属于第一类，MoOx、WOx、V2Ox、CuOx:N属于第二类。
吸收体层
可以根据材料的带隙来选择顶部和底部电池层的吸收体层。具体地，在一些实施方案中，顶部电池的带隙可以落在1.6eV至2.5eV的范围内，而底部电池的带隙可以落在0.15eV至0.75eV的范围内。选择用于顶部电池的各个二元半导体和三元半导体(表1)，使得至少一种可实现的混合物或化合物表现出1.6eV至2.5eV范围内的带隙。类似地，选择用于底部电池的各个材料(表1)，使得那些材料中的一个相表现出0.15eV至0.75eV的带隙。
图11示出了作为波长的函数的示例性可用功率，例如，在地面位置的太阳光谱中可用的功率。图12示出了GaInP电池(1205)和Si太阳能电池板(1210)的示例性频谱效率。可以注意到由于不同半导体材料的不同吸收和带隙，波长范围(1215)内的效率提高。通过向Si板添加顶部结构、底部结构或顶部和底部结构二者，可以通过组合具有不同吸收效率的不同材料的不同吸收分布来提高总效率。
图13示出了作为常数的Si电池(1310)的效率，以及具有1.8eV顶部电池的相同Si电池(1305)的总效率。Si电池的效率为20％。总效率在顶部电池具有低效率时较低，但其随着顶部电池效率的增加而增加，在平衡转效点(1315)处超过裸Si电池。图14示出了随着顶部电池效率增加的示例性功率增强。图15示出了与图13类似的数据，但是针对15％效率的Si电池。图16示出了与图14类似的数据，但是针对15％效率的Si电池。可以注意到，对于特定的PV板效率，顶部结构需要极小的效率以使总效率超过单独的PV板的效率。还可以注意到，该构思可以用于除Si板之外的其他面板。
图17示出了模拟结构的暗电流-电压(I-V)曲线，类似于图10，所述模拟结构具有顶部和底部电极、在吸收体层的两侧上具有ETL和HTL。在图17中，吸收体层是CdSe，例如CdSe的微球。对于1017的掺杂水平，针对三个不同τ值绘制了三条曲线，参数指示了不同的复合(recombination)寿命：10-11(1705)、10-12(1710)和10-13(1715)。典型的CdSe QD通常表现出10-10秒至10-12秒的寿命。可以有利地将图17的数据与现有技术的InGaP电池进行比较。这种InGaP电池的Voc＝1.4V(Voc是开路电流)，Jsc＝15mA(Jsc是短路电流)以及FF＝0.88。填充因子(FF)是太阳能电池品质的量度。它是通过将最大功率与在开路电压和短路电流二者下输出的理论功率进行比较来计算的。
在图17中模拟的如图10中的结构的Voc可以为0.8V至1V。目前已知CdSe的频谱效率为40％至60％，与InGaP现有技术电池相当。因此，在Voc＝0.8V至1V以及Jsc＝13mA/cm2的情况下，QD结构可以实现13％的效率。
图18示出了AM 1.5G功率(1805)的功率密度。如本领域普通技术人员所知，AM1.5G是在用于在太阳能电池板器件的开发或测试期间模拟太阳能的波长范围内照射的功率的标准值集合。图18还示出了Si吸收截止(1815)和累积功率密度(1810)。可以注意到，约200W/m2的功率未被Si电池吸收，占入射AM 1.5G功率的约20％。通过选择具有约1800nm(约0.7eV)带隙的后吸收体，如本公开内容所述的底部结构，可以吸收否则就会被太阳能电池板浪费的约150W/m2的功率。
图19至20示出了包括具有Eg＝0.67eV的半导体的模拟器件的电流-电压特性。在图19中，绘制了三条曲线：J-V暗(1905)、在照射光下的J-V(1910)和在照射光下的功率-电压(1915)。在图20中，绘制了三条曲线：J-V暗(2005)、在照射光下的J-V(2010)和在照射光下的功率-电压(2015)。使用理想的PV电池，可以产生约8mW/cm2的功率，对于20％效率的Si板，功率输出提高40％。使用相对低品质的PV吸收体材料电池，可以产生约1.9mW/cm2的功率，对于20％Si PV电池，功率输出提高10％。
上述实施方案基于以下事实：由于生产成本和材料的可用性，通常可用的太阳能电池板是基于Si的。然而，Si在UV和可见光谱中以及在近红外部分中具有差的频谱效率。因此，可以将Si与有效捕获较短波长的顶部吸收体配对。通过使用顶部和底部电池二者，还可以捕获更短和更长的波长，从而提高太阳能电池板的效率。
图22示出了Si和待用于PV板的顶部和底部的具有不同带隙的不同吸收材料在不同波长下的频谱效率的示例性概念。在图22中，示意性地示出了1.4eV至1.9eV的不同带隙(2205)的频谱效率。还示出了Si的频谱效率的曲线(2010)。第一区域(2215)示出了其中通过向Si板添加顶部吸收体可以提高频谱效率的波长范围。中间区域(2220)示出了其中Si可以有效吸收未被顶部电池吸收的光的波长范围。第三区域(2225)示出了其中附接至Si PV板的底部电池可以吸收未被Si有效吸收的更长波长的波长范围。第一区域和第三区域也可以分别称为串联短和串联长，因为顶部吸收体与Si串联在较短波处起作用，而底部吸收体与Si串联在较长波长处起作用。尽管图22的实例示出了高至1200nm的波长，但是也可以使用更长的波长，例如高至1800nm。
图23示出了对于在顶部上具有吸收体结构的20％效率的Si板，作为顶部电池带隙和细致平衡效率的顶部电池部分的函数的总串联效率的示例性模拟。示出了GaInP、GaAs、CdTe和不同钙钛矿的示例性数据点。在图23中，串联效率通常从顶部电池部分效率轴的左侧至右侧增加。在一些实施方案中，顶部和底部吸收结构可以将市售的太阳能电池板的效率提高多达30％。
图24示出了具有以下的示例性结构：吸收700nm至1000nm的光的PV板(2405)(例如Si板)、吸收UV和可见光的顶部结构(2410)(例如CdSe QD或微球)、以及在1000nm至1300nm处吸收的底部结构(2415)(例如GaSb、InGaAs等)。结构可以包括：透明导电氧化物电极(2420)；HTL(2425)、QD层(2430)、ETL(2435)、底部电极(2440)、PV板(2445)、透明导电氧化物电极(2450)；HTL(2455)、QD层(2460)、ETL(2465)、底部电极(2470)。应注意，可以根据需要添加其他层。例如，还可以添加防反射涂层以及电极层。
根据本公开内容，基底表面可以通过加成法进行改性，例如但不限于表面纹理或块状材料的3D打印、纳米颗粒附接/成层、纳米划线或类似的牺牲性或永久性模具/涂层模板的写入、气相沉积、以及液相和/或超临界相沉积。因此，结构可以通过许多工艺产生，其中一些工艺从不使用纳米颗粒或ALD。换言之，可以3D打印整个分级纹理，或模制整个纹理。
或者，基底表面可以通过减成法进行改性，例如但不限于湿法(例如，液相或超临界相)蚀刻或干法(例如，等离子体或气相)蚀刻、和/或将材料从基底表面除去的物理方法。在另一些实施方案中，可以通过冲压或压花工艺对基底表面进行改性。
各种表面改性方法(加成、减成、压印或压花)可以单独使用或以任何组合使用以产生结构和/或层以实现期望的物理效果。如本领域技术人员将理解的，结构和/或层可以由相同或不同的材料制成。
在另一些示例性实施方案中，结构或层可以与基底一体地制造为一个连续材料。或者，可以在基底制造之前、期间或之后将结构或层添加至基底。在另一些实施方案中，可以组合各种技术以产生各种材料的分级结构或层，以获得任何给定应用所期望的精确功能和最高可能性能。在另一些实施方案中，3D打印技术或直接写入工艺可以用于与基底组合或单独地产生功能结构或层。
如上所述，与没有附加部件的Si太阳能电池相比时，通过添加顶部和底部结构来吸收另外的光可以优化硅太阳能电池。在一些实施方案中，还可以添加防反射涂层。例如，防反射结构可以添加在图24中的层(2420)的顶部，或者并入层(2430)或(2425)中。在一些实施方案中，PV板已经具有防反射涂层。例如，一些先前制造的PV板可以在顶部具有防反射涂层，例如，作为(2445)的顶部表面的一部分。在这种情况下，结构(2410)的应用可以考虑防反射涂层，以防止任何效率降低。因此，在一些实施方案中，可以有利地将气隙添加至顶部结构，例如，图24中的结构(2410)。例如，气隙可以在(2445)与(2440)——(2405)与(2410)——之间。如果顶部量子点电池(2410)与先前制造的硅电池(2405)之间的间隙大于几微米，则不需要对(2405)上存在的防反射涂层进行改性，因此降低了技术要求和成本。在一些实施方案中，可以使用柱(柱状物)将量子点电池支撑在先前制造的PV板的顶部上。例如，柱的厚度可以在毫米或厘米范围内。图21示出了太阳能电池(2110)与顶部结构(2105)之间的这种支撑间隔物(2115)的实例。
还可以在复合结构的底部添加后反射体。例如，可以在层(2450)、(2460)或(2470)下方添加后反射体层。或者，后反射体也可以添加至(2405)的底部，或者可以已经存在于先前制造的PV板中。后反射体可以构造成将未被上面的层吸收的任何辐射朝向吸收层反射回去。因此，后反射体可以提高总吸收效率。在一些实施方案中，可以在(2405)的底部使用波长可选择的反射体，以确保仅可见光和约1200nm波长的辐射朝向吸收层反射回去，而波长长于1200nm的辐射不被反射，而是被底部结构(2415)吸收。例如，后反射体可以包括Au膜或多层介电堆叠体。
图32至35示出了PV板顶部上的示例性光吸收结构。具体地，图32示出了图33的结构的细节，而图34示出了图35的细节。图32至35的结构示出了经由纳米图案化的光子管理。这些结构可以减少宽范围角度上的反射，增加给定材料厚度的吸收，并降低材料成本。接触设计使得能够制造最佳的电子和空穴选择性接触，使给定材料品质的开路电压最大化，并减轻物理缺陷(如针孔)的影响。载流子收集设计使光吸收方向和收集方向分离，使材料载流子收集长度能够与器件结构相匹配，并且与平面结构相比增加了电池短路电流和效率。
这些方法允许灵活地选择吸收体材料，因为喷涂技术能够实现具有类似器件结构的材料的广泛选择，与传统高温处理相比显著降低了成本。低温处理能够实现在市售面板上的直接沉积。图32至33的层可以对应于图10或图24的那些：透明导电氧化物(3205)；电子传输层(3210)；吸收体层(3215)；空穴传输层(3220)；透明导电氧化物层(3225)，此外，光子管理层(3230)。例如，光子管理层构造成减少反射，使得更多光子透射到下面的PV板中。图33示出了包括如图32中的复数个要素的结构。在图32和图33的实例中，结构具有锯齿形状，由具有三角形截面的要素形成。例如，结构可以包括角锥体，或者可以包括通常延伸至图32至33的平面的长线，其中每条线具有三角形截面，从而形成锯齿状光栅结构。锯齿状要素的倾斜角对于每个层可以是不同的，如在图33中可见，其中第一倾斜角(3305)不同于第二倾斜角(3310)。在图33中，顶部吸收体(3315)的锯齿状结构沉积在先前制造的PV板(3320)上。
图34示出了另一个实施方案，其中结构包括圆形小丘而不是如图32中的锯齿状要素。图34至35的层对应于图32的那些：透明导电氧化物(3405)；电子传输层(3410)；吸收体层(3415)；空穴传输层(3420)；透明导电氧化物层(3425)，以及光子管理层(3430)。在一些实施方案中，图35的结构可以包括纳米柱阵列、或束光栅(其中束通常延伸至图35的平面)。可以选择图33或35中的要素之间的尺寸和距离，以控制结构的物理特性，如上面在本公开内容中所描述的。
图32和34中的光子管理层(3230)和(3430)是可以用于光子管理的层的实例。在一些实施方案中，光子管理层可以包括诸如图32中的锯齿状轮廓或图34中的柱状物的结构。在另一些实施方案中，这些层也可以是没有复杂结构的平坦层。光子和少数载流子管理结构层可以用于两个目的：改善器件与光子的相互作用，以及减少少数载流子复合。通过在光子管理层的顶部表面上产生纳米级结构，该层可以充当宽带、广角、防反射结构。防反射结构使下面的太阳能电池结构对垂直入射的太阳光子的反射最小化。防反射特性可以应用于UV、可见光和近红外光子波长范围。防反射结构还可以减少非垂直太阳光子的反射。
防反射结构减少反射的机理是通过从空气至其下方的太阳能电池的有效折射率的梯度。当结构的尺寸相对于入射光子波长处于亚波长范围时，出现这种梯度。例如，为了在UV带中起作用，结构的尺寸将小于UV范围内的波长(例如250nm)。因此，入射电磁波的电场可以同时与太阳能电池材料和空气相互作用。例如，如果结构被空气包围，则包括由空气包围的结构的层的有效折射率可以计算为n有效(f)＝n空气*f+n材料*(1-f)，其中n有效(f)是光子在混合区域中感受到的有效折射率，f是与光子行进方向(空气)正交的平面的分数。空气和材料的折射率分别由n空气和n材料给出。因此，通过产生具有连续变化的分数f的结构，可以使折射率产生梯度。换言之，折射率在材料的深度上将不是均匀的，而是将具有可以通过改变结构的形状来控制的梯度。例如，如果结构具有包括特定间隔的柱状物，则通过保持高度恒定并减小间隔，混合层的更大分数将被结构材料而不是空气占据。因此，与柱状物之间间隔增加的情况相比，有效折射率将评估材料的折射率的贡献大于空气的折射率的贡献。柱状物的宽度也可以改变，或者可以引入斜面以形成截头角锥体或锥体。可以改变倾斜角用于类似的效果。
本领域普通技术人员将理解，对于不与空气接触但被另外的材料层覆盖的结构，例如图32和34，通过用共形地沉积至结构的材料层的折射率替代空气的折射率，有效折射率的相同平均原理是有效的。
因此，可以通过改变防反射结构的几何尺寸和形状以及选择具有特定折射率的适当材料来控制有效折射率的梯度。
吸收体结构的另一光子管理效应是允许入射光子耦合成多个、局部、引导模式和共振。这种耦合的结果是吸收体层中每单位体积材料的吸收增加。有几种机理能够实现此功能。例如，通过产生结构化的顶部表面和底部表面，由于来自太阳能电池的顶部表面的光的内部反射(其发生在多个内部模式中)而产生局部宽带共振。然后，这些共振可以增加耦合到它们中的光子的吸收。该特征允许减少所用材料的量，这进而能够实现如本文所述的载流子收集设计。具体地，通过产生代表受关注的频谱的中点的波长的0.25倍至0.5倍的特征尺寸，可以预期吸收增强至2倍。对于太阳能材料，对应于半导体的带隙能量(Eg)至Eg+0.1eV的波长被最弱地吸收。因此，为了将该范围的光吸收增强至2倍，可以使用横向特征尺寸为0.25*1.24/(Eg+0.05)至0.5*1.24/(Eg+0.05)的器件。垂直特征尺寸可以是Eg至Eg+0.05eV的波长范围内半导体的吸收长度的1至2倍。吸收长度可以定义为在入射光的1/e保持未被吸收之前光必须在半导体结构中行进的长度。
具体地，可以通过用计算模拟观察材料中的光子产生速率和膜的电磁模拟来观察这些共振。在平面材料中，产生速率在与面向表面的光正交的方向上单调衰减，并且在平行于面向入射光的表面的方向上是均匀的。然而，由纳米结构化产生的共振导致光子产生速率在膜中的共振位置处局部增加。这可以通过模拟观察到，所述模拟为平面材料在与面向光的表面平行和正交方向二者上的产生速率分布的偏差。
作为实例，如果半导体带隙能量为1.8eV，对应于约690nm的波长，那么结构可以具有约160nm至340nm范围的横向尺寸。如果半导体在受关注的波长处具有400nm的吸收深度，则结构可以具有400nm至800nm范围的高度。由于特征尺寸与光子波长具有相同的数量级，光子与结构化特征之间的相互作用通过全三维时域有限差分电磁模拟来严格描述。然而，由于光子与这些非平面几何形状的相互作用，产生了效果。具体地，这里描述的共振是由与这些亚波长结构相互作用并且从它们的初始方向散射的入射光子产生的，这些亚波长结构可以是角锥体、锥体或圆柱体。当发生多个散射事件时，光子之间的干涉导致发生局部共振。由于膜是吸收性的，当光子在材料中的路径长度大于光子散射长度时，发生这些共振。如果吸收前光子在材料中的路径长度明显短于散射长度，那么光子将在可能发生多次散射事件之前被吸收，并且不会发生共振。通过如前所述设计结构的尺寸，周期性结构和无规结构二者都将在受关注的波长范围(例如400nm至700nm)内产生这些共振。
该结构的载流子收集设计方面出现在电子和空穴收集层的附近至器件中的每个点。在标准平面光伏器件中，光子吸收和载流子收集二者在相同的方向上发生。然而，通过产生局部共振，以及通过使用纳米结构化材料，可以使光子吸收方向和少数载流子方向分离。因此，可以减少任何少数载流子在被收集之前必须在器件中行进的最大距离。因此，电池的短路电流将改善。鉴于以上，光子管理层也可以被认为是少数载流子管理层。由于局部光子产生速率的变化，可以设计这样的膜以使较大分数的光子在更靠近载流子收集表面或层被吸收。这使得能够通过设计结构来对所产生的少数载流子的损失进行设计并使其最小化，以最大化地吸收光子并在诸如电子传输层和空穴传输层的载流子收集表面附近产生少数载流子。
鉴于以上，如果仔细控制纳米纹理的特征尺寸，则光子的散射长度低于光子路径长度。因此，当光子行进至纳米结构的基部时，例如行进至角锥形或棒状要素的基部时，光子有机会在纳米结构处散射几次。增加的散射增加了它们被收集的机会。如果结构太小或太大，则在光子穿过吸收体之前不会发生多次散射事件。可以注意到，在本公开内容中，可以通过形成由典型尺寸小于入射波长的一半的要素形成的结构来设计表面。这些波长被表面阻挡。因此，入射波长的更多光子将从表面散射回去。类似地，吸收体层可以由典型尺寸小于朝向太阳能电池吸收层被散射回去的光子的波长的一半的要素形成。
在一些实施方案中，要素的纵横比或高度可以增加光子朝向太阳能电池的吸收层返回的散射。在一些实施方案中，如果结构的要素的高度为约1微米，则散射效果最大化。例如，以上图34中的层(3430)的柱状物或图32中的层(3230)的角锥体可以具有约1微米的高度以有利地使光子朝向太阳能电池的吸收层的散射最大化。
在一些实施方案中，光子管理层可以通过首先制造高纵横比ETL(例如，纵横比为5:1至10:1，横向尺寸为100nm至200nm)来实现。通常，制造这种高纵横比层所涉及的光刻步骤将显著增加成本。然而，通过使用本公开内容中描述的任何方法，可以以显著降低的成本制造该高纵横比层。例如，可以通过构建颗粒的单层来形成结构。也可以通过使用颗粒作为蚀刻掩模来形成结构，如本公开内容中所述。还可以通过构建颗粒的单层并将颗粒熔合在一起来制造结构。一旦制造出高纵横比结构，就可以在高纵横比结构上涂覆均匀且共形的量子点颗粒层。QD的吸收体层可以包括颗粒的单层或多层，如本公开内容中所述。因此，由于本公开内容中描述的方法，可以以可承受的成本实现涂覆有纳米颗粒的高纵横比结构的制造。
如本领域普通技术人员所知，目前的太阳能装置主要基于单结太阳能电池。本公开内容描述了与当前技术一起工作的方法，并且以对整个电池和面板结构的最小所需改变改善了它们的功率输出。在一些实施方案中，本公开内容的方法和结构可以通过独立于太阳能制造商的后处理来集成，或者在制造过程结束时在封装之前集成。这些方法也对多结电池起作用。
在一些实施方案中，第一官能团选自：-CH3、-OH、-NH2、酯基、醛基、酰胺基和腈基，第一流体选自：三甲基铝、氯化物化合物、氟化物化合物、有机金属化合物、乙酰丙酮化物化合物、混合有三甲基铝的己烷、混合有氯化物化合物的己烷、混合氟化物化合物的己烷、混合有有机金属化合物的己烷、混合有乙酰丙酮化物化合物的己烷、金属有机化学气相沉积前体、和原子层沉积前体。也可以使用包含不同于己烷的溶剂的其他混合物。在一些实施方案中，颗粒的表面可以包含官能团，从而免除了对用前体准备颗粒表面的需要。或者，待涂覆的表面可以包含这些官能团，因此仅需要准备颗粒的表面。例如，如果纳米颗粒的表面上固有地具有-OH，则可能不必用-OH官能团准备其表面，因为颗粒的材料已经包含它。在该实施例中，可以例如用TMA准备待涂覆的表面，然后将颗粒喷涂或以其他方式附接至经处理的表面，没有颗粒准备步骤。
在一些实施方案中，结合在表面上的颗粒可以具有与基底相同的化学组成。在一些实施方案中，颗粒可以涂覆有与基底相同的材料。在这些情况下，颗粒的外部区域与基底相同，而颗粒的内部区域可以不同。在一些实施方案中，颗粒混合物可以包括多数与基底相同的材料的颗粒，以及少数具有不同材料的颗粒。这种不同的材料可以具有与基底材料相比不同的蚀刻速率。例如，少数颗粒可以以比基底更快的速率蚀刻，或者以比基底更慢的速率蚀刻。在一些实施方案中，对颗粒和基底使用相同的材料可以使(颗粒向基底的)涂覆过程更容易。在一些实施方案中，还可以通过对颗粒和基底二者使用相同的材料，或者使用具有不同蚀刻速率的不同材料，来简化蚀刻过程。在一些实施方案中，可以控制结构的粗糙度以形成分级结构。
在一些实施方案中，在表面上形成颗粒的第一单层是通过提供不足以使表面完全饱和的纳米颗粒通量形成少于一个的单层来进行的。在一些实施方案中，在表面上形成颗粒的第一单层是通过以下来进行的：形成多于一个的单层，包括第一单层和在部分第二单层中的至少一个其他颗粒；冲洗超过第一单层的部分颗粒。在一些实施方案中，第一复数个颗粒包含具有不同尺寸、形状或组成的颗粒。在一些实施方案中，第一复数个颗粒具有与第二复数个颗粒不同的尺寸、形状或组成。在一些实施方案中，如果一起使用不同尺寸的颗粒，则较小颗粒可以在较大颗粒之间的间隙中附接至较大颗粒以及基底。在一些实施方案中，如果对颗粒使用不同的材料，由于它们的不同蚀刻速率，这些颗粒可以用作荫罩。例如，通过使用不同的材料，可以由于不同蚀刻速率而对表面进行图案化。例如，如果将SiO2和Al2O3纳米颗粒的混合物喷涂在表面上，则颗粒在氟蚀刻剂中以非常的不同方式蚀刻。不同的蚀刻速率可能导致固有的图案化。
包含金属和电介质纳米颗粒的基体也可以用于制造超材料，例如具有外来特性的超材料，例如用于隐形应用以使物体不可见或低可见的超材料。颗粒也可以用于产生具有负折射率的材料。
在一些实施方案中，纳米颗粒可以在施加至表面后用激光或热进行烧结。颗粒还可以用于制造用于高湿度环境中的太阳能电池特征和LED环境室的防雾光学器件。在一些实施方案中，颗粒和基底已被描述为共价键合。然而，在另一些实施方案中，颗粒和基底可以例如通过静电或范德华力而物理相互作用。因此，本公开内容的描述也可以称为物理相互作用而不是共价键合。因此，在本公开内容中，共价键合可以适当地替代物理相互作用。
在一些实施方案中，对表面的不同特性的控制，例如特定波长下的反射率和透明度，可以描述为对每个层的有效折射率的控制。包含不同材料的层的折射率由材料的类型以及每种材料的相对尺寸和对层体积的贡献来有效地控制。例如，通过改变结构的形状，可以控制该结构的有效折射率。
在一些实施方案中，低温可以用于沉积过程，以使相关流体蒸发期间表面张力的梯度最小化。本公开内容的结构还可以如下制造：通过构建颗粒的单层并例如通过升高温度、或通过在颗粒之间形成化学键来将颗粒熔合在一起。以这种方式，可以通过使用相似或不相似的颗粒来制造超材料。
在一些实施方案中，可以将根据本公开内容的方法沉积的纳米颗粒的层应用于发光器件(LED)或其他类型的灯，例如显示器的背光。例如，电视设备或计算机屏幕中使用的一些类型的显示器可以使用提供某种形式的白光或多种频率的光的背光。用于显示器的背光的实例包括LED背光和冷阴极背光。可以将像素定位在背光的顶部。例如，可以将具有相关电子控制层的红色、绿色和蓝色像素附接至背光以形成显示器。如本领域普通技术人员所知，液晶也常用于显示器中。
在一些实施方案中，如图37所示，显示器可以包括：背光，例如LED背光(3705)；纳米颗粒的层(3710)；和用于完成显示的任何其他层，例如像素层(3715)。纳米颗粒的层可以包括根据本公开内容中描述的方法沉积的一个或更多个自饱和单层。可以根据期望的效果选择一个或更多个单层的纳米颗粒，例如以通过光子的吸收和发射来使背光的某些波长发生偏移。
例如，显示器背光将具有包括多个频率的特定光谱。这样的光谱对于每个波长可以具有不同的权重。例如，背光可以发射比黄色光子或红色光子更多的蓝色光子。可以选择纳米颗粒以重新平衡每个波长的光子的数目，例如，通过吸收一部分蓝色光子并发射黄色光子或红色光子。以这种方式，光子的吸收和发射可以改变下面的背光的光谱。因此，例如，可以增强使用者所看到的显示器的发射品质，以显示更宽范围的颜色，增加饱和度并增强对比度。
可以通过选择合适的纳米颗粒来实现任何波长偏移。例如，可以使紫外或近紫外光子偏移至更长的波长。在一些实施方案中，可以使用纳米颗粒的多个单层。例如，第一单层可以包含将近紫外光子转换成蓝色光子的纳米颗粒，第二单层可以包含将近紫外光子转换成黄色光子的纳米颗粒，以及第三单层可以包含将近紫外光子转换成红色光子的纳米颗粒。例如，近紫外光子的波长可以为405nm。在一些实施方案中，代替相同类型的纳米颗粒的单个单层，可以将多个单层用于每种类型的纳米颗粒。在一些实施方案中，可以通过第一类型的纳米颗粒使光子从405nm偏移至515nm，同时可以通过第二类型的纳米颗粒使另一些光子从405nm偏移至600nm。
在一些实施方案中，纳米颗粒是半导体纳米颗粒，半导体纳米颗粒具有被选择为吸收期望的波长并以期望的偏移波长发射光子的带隙。目前的量子点(QD)显示器插入了实质上改变背光的光谱以在美学上更令人愉悦的QD层。然而，这些量子点通过使用以一定频率发光的等离子体芯-壳金属纳米颗粒来实现。等离子体纳米颗粒不包含半导体并因此不吸收和发射如本申请的以上实施方案中所述的光子。
在一些实施方案中，可以使用基于InP的QD来吸收某些频率并以其他频率重发射。通过选择和使用不同的QD组，可以产生吸收和重发射所期望的光谱中的光的“滤光器”。本公开内容中描述的方法基于自饱和逐层组合件，所述自饱和逐层组合件可以用于产生非常精确的无源滤光器。在一些实施方案中，有源量子点(例如半导体QD)可以夹在介电QD层之间以产生用于吸收特定频率的“腔”，同时不吸收发射波长。这将有利地允许非常小的QD层吸收大部分的光，同时仍然有效地发射光。
在一些实施方案中，用于使波长偏移的上述纳米颗粒层可以用于除显示器之外的应用中。例如，这样的选定纳米颗粒的单层可以用于改变或增强LED灯(例如在家中使用以照亮房间的LED灯)的发射光谱。目前使用的LED通常基于具有磷光体的GaN二极管。纳米颗粒的单层可以有利地代替磷光体。或者，纳米颗粒可以通过使其他材料因由纳米颗粒产生的波长偏移而在技术上更有用，使得能够用其他二极管代替GaN二极管。
在一些实施方案中，可以对包括在太阳能电池上方的顶部电池的结构(如图10中所示)进行改进以形成智能窗。例如，可以将顶部电池沉积在透明玻璃(例如窗口)上，而不是沉积在太阳能电池的顶部上。顶部电池可以具有不同程度的透明度，并且能够通过窗口的顶部层吸收光。在这些实施方案中，窗口仍可以执行其功能，允许通过其的无障碍视觉，而同时吸收部分光。
例如，部分UV光可以被窗口的顶部表面吸收以产生电力。在一些实施方案中，吸收的电力可以用于实现窗口的电力特征。例如，智能窗可以包括诸如能够触摸操作等功能。例如，窗口可以包括响应触摸并且能够控制各种功能的部分。例如，窗口可以变成磨砂玻璃，或者控制允许进入房间的光的偏振。这些和其他类型的功能需要电力访问窗口。例如，如果将窗口添加至现有建筑物，则电力至窗口的电路径可能需要昂贵的许可和建设停工时间。通过将发电集成至窗口中，可以增加智能窗口的可用应用。
例如，窗口可以包括大带隙材料，例如自饱和纳米颗粒的一个或更多个单层，仍然可以吸收约80％或更多的紫外光以及太阳光的整个光谱的约10％至15％。使用单结结构或多结结构有效地将光转换为电，可以实现有效、低成本的窗口。例如，可以使用诸如CdSe纳米颗粒的超薄材料。在一些实施方案中，纳米颗粒可以吸收整个光的光谱，而不是特定范围例如UV范围。例如，CdSe将吸收整个光谱。
图38示出了使用单结结构在窗玻璃上吸收光的示例性层。图39示出了使用多结结构在窗玻璃上吸收光的示例性层。
在图38中，窗口可以包括：第一层例如透明窗玻璃(3805)、透明导电氧化物(TCO，3810)、如以上在本公开内容中描述的任选的空穴控制层(3815)、纳米颗粒的一个或更多个单层(3820)、如以上在本公开内容中的描述的任选的电子控制层(3825)、和透明导电氧化物(3830)。纳米颗粒的单层可以通过以上在本公开内容中描述的自饱和方法沉积。
在图39中，窗口可以包括：第一层例如透明窗玻璃(3905)；和第一结，所述第一结包括透明导电氧化物(TCO，3910)、如以上在本公开内容中描述的任选的空穴控制层(3915)、纳米颗粒的一个或多个单层(3920)、如以上在本公开内容中描述的任选的电子控制层(3925)、和透明导电氧化物(3930)。图39的窗口还进一步包括第二结，所述第二结包括：任选的空穴控制层(3935)、纳米颗粒的一个或更多个单层(3940)、任选的电子控制层(3945)和透明导电氧化物(3950)。纳米颗粒的单层可以通过以上在本公开内容中描述的自饱和方法沉积。
在一些实施方案中，可以使用三个或更多个结，以类似于图39中所示的顺序添加另外的结。在一些实施方案中，每个结的纳米颗粒可以是相同的。在另一些实施方案中，每个结可以具有不同的纳米颗粒。例如，第一结可以具有一种类型的纳米颗粒，第二结可以具有第二类型的纳米颗粒，第三结可以具有第三类型的纳米颗粒。在又一个实施方案中，第一组结可以具有相同类型的纳米颗粒，第二组结可以具有第二组纳米颗粒，第三组结可以具有第三组纳米颗粒。
在一些实施方案中，首先被放置在窗口的外层(即从建筑物外部入射在窗口上的入射光撞击窗口的位置)的结中的纳米颗粒被选择用于吸收入射光的光谱的第一部分。可以选择后续的纳米颗粒的类型以逐渐吸收更长的波长，因为较高频率首先被吸收，而较低频率的光子在窗口的内部结上被吸收。
在一些实施方案中，智能窗口和其他遮蔽的电力应用可以包括透明或低可见度的涂层以产生电力。例如，一些不显眼地放置在环境中的物体可以包括用自饱和半导体纳米颗粒的层制造的透明电池。纳米颗粒可以由无机、稳定的高带隙材料制成，以吸收较高的频率(例如，如UV范围)。结构可以包括低金属含量TCO，并且具有使功率输出最大化同时保持下面的层的视觉功能的太阳能电池设计。因此，很大一部分光应没有阻碍地通过太阳能电池。在一些实施方案中，UV范围或蓝色光谱区域可以至少部分地被吸收。
利用UV和蓝色光谱区域的常规透明单结电池成本低，并且具有可扩展的沉积技术，但是由于电阻损耗而具有有限的功率输出。本公开内容描述了如何通过使用用于半导体纳米颗粒的自饱和沉积技术而可以减小电阻损耗，从而形成透明的多结电池，所述多结电池使用多结设计以使光生电流最小化并使电压和功率输出最大化。这种设计能够显著降低由在TCO层处的电阻损耗引起的欧姆损耗，并允许使用较高透明度的TCO。
在一些实施方案中，可以在每个结处使用相同的纳米颗粒吸收体材料以实现接触材料和制造的简单性。每个结可以具有不同的厚度以优化功率提取。例如，图40示出了具有三个结(4005、4010、4015)的示例性电池，每个电池具有较大的厚度。由于入射在窗口上的光强度随深度而减小，较厚的结允许在给定深度处收集更多光子。可以选择每个结的厚度以减小电阻损耗。例如，可以选择每个结的厚度以实现电流匹配。多电池构造将通过减小电流来减少电阻损耗。
例如，对于具有相同的材料组成(即相同的半导体纳米颗粒)的每个结，可以选择三个结的厚度，使得被电池吸收的光子总数目的1/3在每个结处被吸收。在另一个实施方案中，可以选择三个结的厚度，使得每个结产生相同或相似的电流。
例如，第一结(4015)可以吸收入射UV光子的1/3，第二结(4010，比第一结更厚)可以吸收入射UV光子的另外1/3，第三结(4005，比第二结更厚)可以吸收入射UV光子的剩余1/3。在另一些实施方案中，可以使用不同数目的结。利用该方法，根据入射光的指数减少来调整厚度。每个结产生的电流可以等于其他结所产生的电流，以有利地使电阻损耗最小化。
在一些实施方案中，纳米颗粒层也可以是纹理化的，或者可以添加另外的纹理化层，以允许部署如本公开内容中描述的其他功能，例如润湿性和其他物理特性的控制。以这种方式，可以制造例如与增强的光捕获组合的防结霜、自清洁无源电池。
在另一些实施方案中，每个结可以包含被选择用于吸收不同波长的不同类型的半导体纳米颗粒。例如，纳米颗粒可以具有不同的带隙以吸收入射光的不同部分，如图22所示。在这些实施方案中，结可以具有相同的厚度，因为可以通过选择由在不同厚度下各个结所吸收的光子的波长来使电阻损耗最小化。如图41所示，三个结(4105、4110、4115)可以具有相同的厚度，其中每个结包含不同的半导体纳米颗粒。例如，第一结(4115)可以具有较宽的带隙以吸收第一波长，位于结构内的更深处(其中入射光的强度指数地减小)的第二结(4110)可以吸收更长的波长，并且第三结(4105)可以吸收甚至更长的波长。
在一些实施方案中，如图37至41中所示的结可以包括用于每个结的TCO层。在另一些实施方案中，可以在没有中间TCO层的情况下制造结。例如，具有三个结的结构可以仅具有顶部TCO和底部TCO，而在结之间没有TCO层。
在一些实施方案中，如图10中所示的太阳能电池可以具有吸收部分入射光的顶部电池，如以上在本公开内容中所述。在一些实施方案中，顶部电池的活性材料可以具有用于电荷载流子的短扩散长度。因此，仅活性材料的顶部部分将有效地将光子转换为电荷载流子，而剩余的光子将产生电子-空穴对，其在复合之前将扩散短的距离。因此，在一些实施方案中，将顶部电池制造为整体薄电池是有利的。以这种方式，顶部电池将有效地转换一部分入射光，同时允许剩余的光子通过并被结构中的剩余电池吸收。例如，可以将顶部电池添加至Si太阳能电池中以提高Si吸收某些波长的效率。然而，如果出于各种原因将低品质的材料用于顶部电池，则使顶部电池变薄可能是有利的，因为未改进的Si在吸收那些光子方面的效率可能高于具有短扩散长度的材料的较深层的效率。
在一些实施方案中，如本公开内容中所述的以自饱和方式沉积的纳米颗粒的单层，例如通过将结构浸入包含必需前体和纳米颗粒的液体中，可以用于制造电容器。例如，动态随机存取存储器(DRAM)中的电容器。DRAM是一种随机存取半导体存储器，其将每比特(bit)的数据存储在集成电路内的单独的小电容器中。如本领域普通技术人员所知，每个电容器可以充电或放电，并且这两个状态代表一比特的两个值。DRAM可以用于例如个人计算机。为了制造更快的存储器或具有更高容量的存储器，可以使用多种技术。可以以越来越小的尺寸制造电容器，可以使用具有较高介电常数的材料，并且可以使用高纵横比结构。高纵横比(例如100)可以实现电容的控制。如本领域中已知的，由两个导电表面和介于其间的介电材料形成的理想电容器的电容是导电表面的面积、导电表面之间的距离和介电材料的相对介电常数的函数。
因此，较高的介电常数可以增加给定尺寸的电容值。目前使用的介电材料在使用贵金属例如Pt以及使用与金属结合的昂贵配体方面都存在显著的成本。通常使用的沉积技术是原子层沉积(ALD)，并且实际上只有一小部分前体有效地沉积在高纵横比DRAM结构上。例如，在一些情况下，少于1％的前体被转换成DRAM上的介电材料。虽然回收方案设法重捕获未沉积的部分金属，但是配体没有被回收。
如以上在本公开内容中所述的通过自饱和单层来沉积材料可以实现成本的大幅降低。例如，可以如本公开内容中所述将高纵横比结构浸入包含前体的各种浴中。以这种方式，较高分数的前体将转换为沉积在结构上的介电材料。另外，使用流体浸渍能够在高纵横比结构中更好地到达沟槽内，因此制造品质改善的介电层。在一些实施方案中，单个单层可能是足够的。在另一些实施方案中，多个单层可以提高电介质的品质，例如通过使电介质中的任何可能的针孔闭合。在一些实施方案中，可以使用液体进行浸渍，例如己烷；在另一些实施方案中，可以使用非液体形式的其他材料，例如超临界CO2。
根据本公开内容的方法沉积的自饱和颗粒单层的另一个优点是可以使用其他类型的材料作为DRAM中的电介质。例如，可以使用通常很难通过ALD沉积的某些形式的TiO2、钛酸钡、钛酸锶或其他氧化物。这些材料可能与目前使用的ALD技术不相容，但是却可以与本公开内容的方法相容，并且具有高得多的介电常数。例如，介电常数的值可能可以增加10倍或100倍，从而能够使DRAM的成本大幅降低，并且更容易制造。
在一些实施方案中，这些方法可以用于制造包括具有高介电常数的材料的纳米颗粒的单层的超级电容器。在一些实施方案中，制造方法可以包括，例如，蚀刻以制造高纵横比表面的第一步骤，接着是金属层沉积步骤以产生电容器的第一电极。在后续步骤中，可以通过本公开内容中描述的改进的ALD方法沉积纳米颗粒，使得能够自饱和沉积具有高介电常数的高品质的纳米颗粒的单层。在进一步的步骤中，可以在金属层沉积步骤中沉积电容器的第二电极。可以将纳米颗粒共形地沉积在第一金属层上。在一些实施方案中，高介电常数的值为大于4、大于50或大于100。在一些实施方案中，高介电常数可以是大于4的值的任何值。
在一些实施方案中，可以制造DRAM之外的其他类型的计算机存储器，例如闪存、电阻随机存取存储器(ReRAM)和类似类型的存储器芯片。在一些实施方案中，高纵横比可以包括复数个要素，复数个要素中的每个要素的高度是其对应宽度的至少2倍大。在另一些实施方案中，高度可以是对应要素宽度的至少10倍大。在又一个实施方案中，纵横比可以是100或更大。
以上描述的各种实施方案仅以说明的方式提供并且不应解释为限制本公开内容。本领域技术人员将容易地认识到可以在不遵循本文示出和描述的示例性实施方案和应用，并且不脱离本公开内容的真实精神和范围的情况下对本公开内容做出的多种修改和改变。
已经描述了本公开内容的许多实施方案。然而，应理解，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以做出多种修改。因此，其他实施方案在以上权利要求的范围之内。
以上阐述的实施例作为如何做出和使用本公开内容的实施方案的完整公开内容和描述提供给本领域普通技术人员，并且不旨在限制发明人视为他们的公开内容的范围。
对本领域技术人员而言显而易见的用于进行本文公开的方法和系统的上述模式的修改旨在落入以上权利要求的范围内。说明书中提及的所有专利和出版物表示本公开内容所属领域的技术人员的技术水平。本公开内容中引用的所有参考文献均以引用方式并入，其程度如同每篇参考文献单独地通过引用整体并入。
应理解本公开内容不限于特定的方法或系统，这些方法或系统当然可以改变。还应理解，本文中使用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，并不旨在是限制性的。除非内容另有明确规定，否则如本说明书和所附权利要求中所使用的未用数量词修饰的名词包括复数个指示物。除非内容另有明确规定，否则术语“复数个”包括两个或更多个指示物。除非另有定义，否则本文使用的所有技术术语和科学术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
Claims (41)
1.一种结构，包括：
被配置成吸收第一波长范围内的电磁辐射的太阳能电池板；和
附接在所述太阳能电池板的顶部表面上的顶部结构，所述顶部表面朝向入射电磁辐射定向，所述顶部结构被配置成吸收第二波长范围内的电磁辐射，所述第二波长范围包括比所述第一波长范围更短的波长。
2.根据权利要求1所述的结构，还包括附接在所述太阳能电池板的底部表面上的底部结构，所述底部表面与所述顶部表面相反，所述底部结构被配置成吸收第三波长范围内的电磁辐射，所述第三波长范围包括比所述第一波长范围更长的波长。
3.一种结构，包括：
被配置成吸收第一波长范围内的电磁辐射的太阳能电池板，所述太阳能电池板具有朝向入射电磁辐射定向的顶部表面，和与所述顶部表面相反的底部表面；
附接至所述太阳能电池板的所述底部表面的底部结构，所述底部结构被配置成吸收第二波长范围内的电磁辐射，所述第二波长范围包括比所述第一波长范围更长的波长。
4.根据权利要求1所述的结构，其中所述顶部结构包括第一电极、半导体颗粒的层和第二电极。
5.根据权利要求2所述的结构，其中所述顶部结构包括第一电极、半导体颗粒的第一层和第二电极，所述底部结构包括第三电极、半导体颗粒的第二层和第四电极。
6.根据权利要求3所述的结构，其中所述底部结构包括第一电极、半导体颗粒的层和第二电极。
7.根据权利要求4所述的结构，还包括各自在所述半导体颗粒的层的相反侧上的电子传输层和空穴传输层。
8.根据权利要求5所述的结构，还包括各自在所述半导体颗粒的第一层的相反侧上的第一电子传输层和第一空穴传输层；以及各自在所述半导体颗粒的第二层的相反侧上的第二电子传输层和第二空穴传输层。
9.根据权利要求6所述的结构，还包括各自在所述半导体颗粒的层的相反侧上的电子传输层和空穴传输层。
10.根据权利要求8所述的结构，其中：
所述第一电子传输层和所述第二电子传输层选自：TiO2、WO3、PbO、MnTiO3、SnO2、In2O3、Ca、LiFx、CsFx、KFx、CsOx、MgFx和LaB6，
所述第一空穴传输层和所述第二空穴传输层选自：GaP、AlSb、ZnTe、NiO、AlCuO2、MoOx、WOx、CuPc、CuSCN、CuOx:N和V2Ox，
所述半导体颗粒的第一层选自：
InGaP、CdSe、CdZnTe、AlGaAs、CdSTe、CdSSe、CsPbCl、CsPbBr和CsPbI，以及
所述半导体颗粒的第二层选自：PbS、PbSe、PbTe、HgS、HgCdTe、HgCdSe、Bi2Se3、Ge、GaSb和InGaAs。
11.根据权利要求10所述的结构，其中所述底部结构还包括在所述第四电极下方的光子管理层，所述光子管理层包括复数个三维要素，所述复数个三维要素具有被配置成增加入射电磁辐射朝向所述半导体颗粒的第二层返回的散射的横向尺寸、高度和间隔。
12.根据权利要求11所述的结构，其中所述三维要素具有三角形或矩形截面。
13.一种方法，包括：
提供被配置成吸收第一波长范围内的电磁辐射的太阳能电池板；以及
在所述太阳能电池板的顶部表面上制造顶部结构，所述顶部表面朝向入射电磁辐射定向，所述顶部结构被配置成吸收第二波长范围内的电磁辐射，所述第二波长范围包括比所述第一波长范围更短的波长。
14.根据权利要求13所述的方法，其中制造所述顶部结构包括：
在所述太阳能电池板的所述顶部表面上沉积第一透明电极；
用第一官能团的自饱和单层使第一透明电极的顶部表面官能化；
用第二官能团使第一复数个半导体颗粒官能化，所述第二官能团被选择为与所述第一官能团形成化学键；
在所述第一透明电极上形成所述第一复数个半导体颗粒的单层；以及
在第一单层上沉积第二透明电极。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在沉积所述第二透明电极之前形成半导体颗粒的另外的单层。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述太阳能电池板的底部表面上制造底部结构，所述底部表面与所述顶部表面相反，所述底部结构被配置成吸收第三波长范围内的电磁辐射，所述第三波长范围包括比所述第一波长范围更长的波长。
17.根据权利要求16所述的方法，其中制造所述底部结构包括：
在所述太阳能电池板的所述底部表面上沉积第一透明电极；
用第一官能团的自饱和单层使第一透明电极的表面官能化；
用第二官能团使第一复数个半导体颗粒官能化，所述第二官能团被选择为与所述第一官能团形成化学键；
在所述第一透明电极上形成所述第一复数个半导体颗粒的第一单层；以及
在所述第一单层上沉积第二透明电极。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括在沉积所述第二透明电极之前形成半导体颗粒的另外的单层。
19.根据权利要求1所述的结构，其中所述顶部结构沉积在所述太阳能电池板的顶部表面上。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述太阳能电池板的底部表面上制造底部结构，所述底部表面与所述顶部表面相反，所述底部结构被配置成吸收第三波长范围内的电磁辐射，所述第三波长范围包括比所述第一波长范围更长的波长，其中形成所述底部结构包括：
在所述太阳能电池板的所述底部表面上沉积第三透明电极；
用所述第一官能团的自饱和单层使第三透明电极的表面官能化；
用所述第二官能团使第二复数个半导体颗粒官能化；
在所述第三透明电极上形成所述第二复数个半导体颗粒的单层；以及
在第一单层上沉积第四透明电极。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括在半导体颗粒的第一层的相反侧上各自沉积第一电子传输层和第一空穴传输层，以及在半导体颗粒的第二层的相反侧上各自沉积第二电子传输层和第二空穴传输层。
22.根据权利要求21所述的方法，其中：
所述第一电子传输层和所述第二电子传输层选自：TiO2、WO3、PbO、MnTiO3、SnO2、In2O3、Ca、LiFx、CsFx、KFx、CsOx、MgFx和LaB6，
所述第一空穴传输层和所述第二空穴传输层选自：GaP、AlSb、ZnTe、NiO、AlCuO2、MoOx、WOx、CuPc、CuSCN、CuOx:N和V2Ox，
所述半导体颗粒的第一层选自：
InGaP、CdSe、CdZnTe、AlGaAs、CdSTe、CdSSe、CsPbCl、CsPbBr和CsPbI，以及
所述半导体颗粒的第二层选自：PbS、PbSe、PbTe、HgS、HgCdTe、HgCdSe、Bi2Se3、Ge、GaSb和InGaAs。
23.一种结构，包括：
发射第一波长的至少第一复数个光子和第二波长的第二复数个光子的光源，所述第二波长比所述第一波长更长；和
沉积在所述光源上的半导体纳米颗粒的至少一个单层，所述半导体纳米颗粒被选择为吸收所述第一复数个光子并发射第三波长的至少第三复数个光子，所述第三波长比所述第一波长更长。
24.根据权利要求23所述的结构，其中所述至少一个单层是复数个单层，所述复数个单层包括第一半导体的纳米颗粒的至少第一单层，所述第一半导体的纳米颗粒被选择为吸收所述第一复数个光子的第一部分并发射所述第三波长的至少第三复数个光子，和与所述第一半导体不同的第二半导体的纳米颗粒的至少第二单层，所述第二半导体的纳米颗粒被选择为吸收所述第一复数个光子的第二部分并发射第四波长的至少第四复数个光子，所述第四波长比所述第一波长更长并且比所述第三波长更长。
25.根据权利要求24所述的结构，其中所述第一波长为405nm，所述第三波长为515nm，所述第四波长为600nm。
26.根据权利要求24所述的结构，其中半导体纳米颗粒的至少一个单层为自饱和单层。
27.根据权利要求23所述的结构，其中所述光源是视频显示器的背光，并且还包括在所述半导体纳米颗粒的至少一个单层上的像素阵列以形成所述视频显示器。
28.根据权利要求23所述的结构，其中所述半导体纳米颗粒由InP制成。
29.根据权利要求23所述的结构，其中所述光源包括发光二极管阵列。
30.一种方法，包括：
提供发射第一波长的至少第一复数个光子和第二波长的第二复数个光子的光源，所述第二波长比所述第一波长更长；
选择用于吸收所述第一复数个光子并发射第三波长的至少第三复数个光子的第一复数个半导体颗粒，所述第三波长比所述第一波长更长；
用第一官能团的自饱和单层使所述光源的表面官能化；
用第二官能团使所述第一复数个半导体颗粒官能化，所述第二官能团被选择为与所述第一官能团形成化学键；以及
在所述光源的所述表面上形成所述第一复数个半导体颗粒的第一单层。
31.一种结构，包括：
透明玻璃基底；
在所述透明玻璃基底上的第一结，所述第一结包括：
在所述透明玻璃基底上的第一透明电极；
在所述第一透明电极上的第一空穴传输层；
在所述第一空穴传输层上的半导体纳米颗粒的至少一个第一单层；
在所述半导体纳米颗粒的至少一个第一单层上的第一电子传输层；
在所述第一电子传输层上的第二透明电极；
在所述第一结上的第二结，所述第二结包括：
在所述第二透明电极上的第二空穴传输层；
在所述第二空穴传输层上的半导体纳米颗粒的至少一个第二单层；
在所述半导体纳米颗粒的至少一个第二单层上的第二电子传输层；和
在所述第二电子传输层上的第三透明电极。
32.根据权利要求31所述的结构，其中所述透明玻璃基底是包括电力负载的智能窗的一部分，并且所述第一结和所述第二结被配置成通过由所述半导体纳米颗粒吸收电磁辐射来为所述智能窗产生电力。
33.根据权利要求31所述的结构，其中所述半导体纳米颗粒的至少一个第一单层由吸收第一波长的光子的第一材料制成，并且所述半导体纳米颗粒的至少一个第二单层由吸收比所述第一波长更长的第二波长的光子的第二材料制成。
34.根据权利要求31所述的结构，其中所述半导体纳米颗粒的至少一个第一单层和所述半导体纳米颗粒的至少一个第二单层由相同材料制成。
35.根据权利要求31所述的结构，其中每个结的厚度被配置成吸收等量的光子。
36.一种结构，包括：
包括复数个要素的高纵横比结构，所述复数个要素中的每个要素的高度是其对应宽度的至少2倍大；
在所述复数个要素上的第一金属层；
共形地沉积在所述第一金属层上的纳米颗粒的至少一个单层，所述纳米颗粒具有高介电常数；和
在所述纳米颗粒的至少一个单层上的第二金属层，以形成复数个电容器。
37.根据权利要求36所述的结构，其中所述复数个电容器被配置成用作计算机存储器。
38.根据权利要求36所述的结构，其中每个要素的所述高度是其对应宽度的至少10倍大。
39.一种方法，包括：
通过蚀刻形成包括复数个要素的高纵横比结构，所述复数个要素中的每个要素的高度是其对应宽度的至少2倍大；
在所述复数个要素上沉积第一金属层；
用第一官能团的自饱和单层使所述第一金属层的表面官能化；
用第二官能团使第一复数个纳米颗粒官能化，所述第二官能团被选择为与所述第一官能团形成化学键，所述第一复数个纳米颗粒具有高介电常数；
在所述第一金属层的所述表面上形成所述第一复数个纳米颗粒的至少一个单层；以及
在纳米颗粒的至少一个单层上沉积第二金属层，以形成复数个电容器。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述复数个电容器被配置成用作计算机存储器。
41.根据权利要求39所述的方法，其中每个要素的所述高度是其对应宽度的至少10倍大。
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