JP2011505078A - ナノ構造有機太陽電池 - Google Patents

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Abstract

パターン付きｐ−ｎ接合部を形成する少なくとも１層の電子アクセプタ層および少なくとも１層の電子ドナー層を有する太陽電池が記載される。電子アクセプタ層は、テンプレートと電極層の間にある成形可能Ｎ型材料をパターニングして、その成形可能Ｎ型材料を固化することによって形成されてよい。

Description

ナノ・ファブリケーションは、１００ナノメートル以下程度のフィーチャを有する非常に小さな構造の製作を含む。ナノ・ファブリケーションがかなり大きな影響を及ぼしてきた一適用分野に、集積回路加工分野がある。半導体加工産業は、基板上に形成される単位面積当たりの回路数を増加させるとともに、より高い製造歩留まりを追求し続けており、したがって、ナノ・ファブリケーションはますます重要になりつつある。ナノ・ファブリケーションは、形成される構造の最小フィーチャ寸法の継続的な低減を可能にすると同時に、より優れたプロセス制御を実現する。ナノ・ファブリケーションが使用されてきた他の開発分野には、生物工学、光技術、機械システムなどがある。
今日使用されている例示的なナノ・ファブリケーション技法は、一般にインプリント・リソグラフィと呼ばれる。例示的なインプリント・リソグラフィ・プロセスは、その全てがここに参照により組み込まれる、米国特許出願公開第２００４／００６５９７６号、米国特許出願公開第２００４／００６５２５２号、および米国特許第６，９３６，１９４号など、多数の公報に詳細に記載されている。
前述の米国特許出願公開および米国特許のそれぞれに開示されているインプリント・リソグラフィ技法は、（重合可能な）成形可能層内にレリーフ・パターンを形成すること、およびそのレリーフ・パターンに対応するパターンを下にある基板内に転写することを含む。基板は、所望の位置決めを達成してパターニング・プロセスを容易にするために、移動ステージに結合されてよい。このパターニング・プロセスは、基板から離隔されたテンプレート、およびテンプレートと基板の間に施与される成形可能液体を使用する。この成形可能液体が固化されると、成形可能液体に接触するテンプレートの表面の形状に共形のパターンを有する剛性層が形成する。固化後、テンプレートと基板が離隔されるように、テンプレートが剛性層から引き離される。次いで、基板および固化層が、固化層内のパターンに対応するレリーフ像を基板内に転写するための更なるプロセスにかけられる。
米国特許出願公開第２００４／００６５９７６号、 米国特許出願公開第２００４／００６５２５２号、 米国特許第６，９３６，１９４号
M. Jacoby, 「Tapping the Sun: Basic chemistry drives development of new low-cost solar cells」, Chemical & Engineering News, 2007年8月27日，85巻，３５号，１６〜２２頁 I. Gur等，「Hybrid Solar Cells with Prescribed Nanoscale Morphologies Based on Hyperbranched Semiconductor Nanocrystals」，Nano Lett., 7(2), 409〜414，2007 G. W. Crabtree等, 「Soar Energy Conversion」, Physics Today, 2007年3月, ３７〜４２頁 A. J. Nozik, 「Exciton Multiplication and Relaxation Dynamics in Quantum Dots: Applications to Ultrahigh-Efficiency Solar Photon Conversion」, Inorg. Chem., 2005, 44, 6893〜6899頁 M. Law等, 「Nanowire dye-sensitized solar cells」, Nature Materials, 4, 455, 2005
本発明をより詳細に理解することができるように、本発明の諸実施形態の説明を、添付の図面に示す実施形態を参照して行う。しかし、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示すものであり、したがってその範囲を限定するものと見なすべきではないことに留意されたい。
本発明の一実施形態によるリソグラフィ・システムの簡略側面図である。
図１に示す、パターン付き層が上に配置された基板の簡略側面図である。
一例示的太陽電池設計の簡略側面図である。
別の例示的太陽電池設計の簡略側面図である。
パターン付きｐ−ｎ接合部を有する一例示的太陽電池設計の簡略側面図である。 パターン付きｐ−ｎ接合部を有する別の例示的太陽電池設計の簡略側面図である。
一例示的Ｐ−Ｎスタック設計の断面図である。
別の例示的Ｐ−Ｎスタック設計の断面図である。
多段構造およびテーパ構造を有する、別の例示的太陽電池設計の簡略側面図である。 図８Ａに示すテーパ構造の拡大図である。
複数の層を有する一例示的Ｐ−Ｎスタック設計の簡略側面図である。
図９Ａに示すＰ−Ｎスタック設計を上から見た図である。
複数の層を有する太陽電池を形成する一例示的方法を示す図である。 複数の層を有する太陽電池を形成する一例示的方法を示す図である。 複数の層を有する太陽電池を形成する一例示的方法を示す図である。 複数の層を有する太陽電池を形成する一例示的方法を示す図である。 複数の層を有する太陽電池を形成する一例示的方法を示す図である。 複数の層を有する太陽電池を形成する一例示的方法を示す図である。 複数の層を有する太陽電池を形成する一例示的方法を示す図である。
複数の層を有する太陽電池を形成する別の例示的方法を示す図である。 複数の層を有する太陽電池を形成する別の例示的方法を示す図である。 複数の層を有する太陽電池を形成する別の例示的方法を示す図である。 複数の層を有する太陽電池を形成する別の例示的方法を示す図である。 複数の層を有する太陽電池を形成する別の例示的方法を示す図である。
Ｎ型層を多層基板から形成する例の簡略側面図である。 Ｎ型層を多層基板から形成する例の簡略側面図である。 Ｎ型層を多層基板から形成する例の簡略側面図である。 Ｎ型層を多層基板から形成する例の簡略側面図である。
図を参照し、特に図１を参照すると、図１には、基板１２上にレリーフ・パターンを形成するために使用されるリソグラフィ・システム１０が示されている。基板１２は、基板チャック１４に結合されてよい。図示のように、基板チャック１４は真空チャックである。しかし、基板チャック１４は、真空、ピン型、溝型、静電、電磁、および／または同様のものを含むがそれらに限定されないどんなチャックでもよい。例示的なチャックが、ここに参照により組み込まれる米国特許第６，８７３，０８７号に記載されている。
基板１２および基板チャック１４はさらに、ステージ１６によって支持されてよい。ステージ１６は、ｘ、ｙ、およびｚ軸に沿った移動を可能にすることができる。ステージ１６、基板１２、および基板チャック１４は、基台（図示せず）上に配置されてもよい。
テンプレート１８が、基板１２から離隔されている。テンプレート１８は、テンプレート１８から基板１２に向かって延びるメサ２０を含むことができ、メサ２０は上にパターニング面２２を有する。さらに、メサ２０をモールド２０と呼ぶこともできる。あるいは、テンプレート１８をメサ２０なしで形成することもできる。
テンプレート１８および／またはモールド２０は、溶融シリカ、石英、シリコン、有機ポリマー、シロキサンポリマー、ホウケイ酸ガラス、フルオロカーボンポリマー、金属、硬化サファイア、および／または同様のものを含むがそれらに限定されないような材料から形成されてよい。図示のように、パターニング面２２は、複数の離隔された凹部２４および／または凸部２６によって画定されるフィーチャを備えるが、本発明の諸実施形態はそのような形状に限定されない。パターニング面２２は、基板１２上に形成すべきパターンの基礎をなす、どんなオリジナルのパターンも画定することができる。
テンプレート１８は、チャック２８に結合されてよい。チャック２８は、それらに限定されないが、真空、ピン型、溝型、静電、電磁、および／または他の類似のチャック・タイプとして構成されてよい。例示的なチャックが、ここに参照により組み込まれる米国特許第６，８７３，０８７号にさらに詳しく記載されている。さらに、チャック２８をインプリント・ヘッド３０に結合して、テンプレート１８の移動を容易にするようにチャック２８および／またはインプリント・ヘッド３０を構成できるようにすることができる。
システム１０はさらに、流体供給システム３２を備えることができる。流体供給システム３２は、基板１２上に重合可能材料３４を堆積させるために使用されてよい。重合可能材料３４は、液滴供給（ｄｒｏｐ ｄｉｓｐｅｎｓｅ）、スピン・コーティング、浸漬コーティング、化学気相成長（ＣＶＤ）、物理気相成長（ＰＶＤ）、薄膜堆積、厚膜堆積、および／または同様のものなどの技法を使用して基板１２上に配置されてよい。重合可能材料３４は、設計上の考慮事項に応じて、モールド２０と基板１２の間に所望の容積が画定される前および／または画定された後に、基板１２上に配設されてよい。重合可能材料３４は、その全てがここに参照により組み込まれる、米国特許第７，１５７，０３６号および米国特許出願公開第２００５／０１８７３３９号に記載のモノマー混合物を含むことができる。
図１および２を参照すると、システム１０はさらに、エネルギー４０を経路４２に沿って向けるように結合されたエネルギー供給源３８を備えることができる。インプリント・ヘッド３０およびステージ１６は、テンプレート１８および基板１２を経路４２と重ね合わせて位置決めするように構成されてよい。システム１０は、ステージ１６、インプリント・ヘッド３０、流体供給システム３２、および／または供給源３８と通信するプロセッサ５４によって調節されてよく、メモリ５６内に記憶されたコンピュータ読取可能プログラムで動作することができる。
インプリント・ヘッド３０、ステージ１６の一方または両方が、モールド２０と基板１２の間の距離を変化させて、重合可能材料３４で充填される所望の容積をそれらの間に画定する。例えば、インプリント・ヘッド３０は、モールド２０が重合可能材料３４に接触するように、テンプレート１８に対して力を加えることができる。所望の容積が重合可能材料３４で充填された後、供給源３８がエネルギー４０、例えば紫外線放射を発生させ、それにより重合可能材料３４を、基板１２の表面４４およびパターニング面２２の形状に共形になるように固化および／または架橋して、基板１２上にパターン付き層４６を画定する。パターン付き層４６は、残留層４８、ならびに凸部５０および凹部５２として示す複数のフィーチャを備えることができ、凸部５０は厚さｔ1を有し、残留層は厚さｔ2を有する。重合可能材料３４の固化および／または架橋は、荷電粒子への暴露、温度変化、蒸着、および／または他の類似の方法を含むがそれらに限定されない、他の方法を通じてもよいことに留意されたい。
上述のシステムおよびプロセスはさらに、そのそれぞれがここに参照により組み込まれる、米国特許第６，９３２，９３４号、米国特許出願公開第２００４／０１２４５６６号、米国特許出願公開第２００４／０１８８３８１号、および米国特許出願公開第２００４／０２１１７５４号の中で言及されているインプリント・リソグラフィのプロセスおよびシステムにおいて使用されてよい。
有機太陽電池
低コストのナノ・パターニングが利用できると、有機光起電力材料の効率を大幅に向上させる有機太陽電池設計が可能になり得る。ナノ構造材料を手頃なコストで製造することができると、次世代太陽電池の効率が大幅に向上し得ることを、いくつかの情報源が示している。その全てがここに参照により組み込まれる、Ｍ．Ｊａｃｏｂｙ、「Ｔａｐｐｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｕｎ：Ｂａｓｉｃ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｄｒｉｖｅｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｌｏｗ−ｃｏｓｔ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｎｅｗｓ、２００７年８月２７日、第８５巻、第３５号、１６〜２２ページ；Ｉ．Ｇｕｒ等、「Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ Ｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄ Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈｙｐｅｒｂｒａｎｃｈｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．、７（２）、４０９〜４１４、２００７；Ｇ．Ｗ．Ｃｒａｂｔｒｅｅ等、「Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」、Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｏｄａｙ、２００７年３月、３７〜４２ページ；Ａ．Ｊ．Ｎｏｚｉｋ、「Ｅｘｃｉｔｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｏ Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｓｏｌａｒ Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」、Ｉｎｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．、２００５、４４、６８９３〜６８９９ページ；およびＭ．Ｌａｗ等、「Ｎａｎｏｗｉｒｅ ｄｙｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、４、４５５、２００５を参照されたい。
有機含有非Ｓｉベースの太陽電池は一般に、有機太陽電池と無機／有機ハイブリッド電池の２種類に分けられてよい。有機太陽電池では、Ｎ型材料は、それらに限定されないが、有機修飾フラーレン、ナノ結晶（例えばＴｉＯ2、ＺｎＯ）上に被覆した有機光捕獲色素（ｐｈｏｔｏ ｈａｒｖｅｓｔｅｄ ｄｙｅ）、および／または同様のものを含むことができる。例えば、有機修飾フラーレンからＮ型材料を形成する場合、太陽電池は、共役ポリマーから形成されたＰ型材料を使用するドナー−アクセプタ・メカニズムによって構成されてよい。有機光捕獲色素からＮ型材料を形成する場合、色素増感ナノ結晶（例えばＴｉＯ2、ＺｎＯ、ＴｉＯ2オーバーコートＺｎＯ（ＴｉＯ2 ｏｖｅｒｃｏａｔ ＺｎＯ））を液体電解質と共に使用して、太陽電池（グレッツェル太陽電池とも呼ばれる）を形成することができる。
無機／有機ハイブリッド電池では、Ｐ型材料を有機共役ポリマーから形成することができ、Ｎ型材料を、ＴｉＯ2、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、および他の類似の半導体材料を含むがそれらに限定されない無機材料から形成することができる。
図３は、有機光起電力（ＰＶ）材料を有する一例示的太陽電池設計６０の簡略図である。一般に、太陽電池６０は、第１の電極層６２、電子アクセプタ層６４、電子ドナー層６６、および第２の電極層６８を含むことができる。太陽電池設計６０は、電子ドナー層６６とそれに隣接する電子アクセプタ層６４によって形成されるＰ−Ｎ接合部７０を含むことができる。
図４は、別の例示的太陽電池設計６０ａを示す。この太陽電池設計６０ａは、第１の電極層６２ａ、混合ＰＶ層６５ａ、および第２の電極層６８ａを含むことができる。この設計の構成要素は、ここに参照により組み込まれる、Ｉ．Ｇｕｒ等、「Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ Ｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄ Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈｙｐｅｒｂｒａｎｃｈｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．、７（２）、４０９〜４１４、２００７の中でさらに詳しく説明され得る。
太陽電池設計６０ａの第１の電極層６２ａおよび第２の電極層６８ａは、太陽電池設計６０の第１の電極層６２および第２の電極層６８に設計面で類似していてよい。混合ＰＶ層６５ａは、Ｎ型無機ナノ粒子と混合したＰＶ材料から形成されてよい。
別の例示的太陽電池設計は、色素増感ＺｎＯナノワイヤの使用を組み込むことができる。この設計は、Ｍ．Ｌａｗ等、「Ｎａｎｏｗｉｒｅ ｄｙｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、４、４５５、２００５にさらに詳しく記載されており、それは一般にグレッツェル電池に基づくものであり、グレッツェル電池は、Ｂ．Ｏ’Ｒｅｇａｎ等、「Ａ ｌｏｗ−ｃｏｓｔ，ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｙｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ＴｉＯ2 ｆｉｌｍｓ」、Ｎａｔｕｒｅ ３５３、７３７〜７４０（１９９１）にさらに詳しく記載されている。そのどちらもここに、参照により組み込まれる。
太陽電池の最適および準最適設計
入射光子によってＰＶ材料内で形成される励起子（電子／正孔対）は、拡散長Ｌを有することができる。例えば、励起子は、約５〜３０ｎｍの拡散長Ｌを有することができる。図３を参照すると、電子アクセプタ層６４をパターニングしてパターン付きＰ−Ｎ接合部７０を形成することができ、その場合、このパターン付き構造が拡散長Ｌに近づいて、励起子捕獲効率の向上がもたらされる。例えば、図３の設計を、捕獲効率を高めるために図５Ａおよび／または５Ｂに示す設計に適合させることができる。
図５Ａおよび５Ｂは、パターン付きｐ−ｎ接合部７０ａを有する例示的太陽電池６０ｂおよび６０ｃの簡略図である。一般に、パターン付きｐ−ｎ接合部７０ａは、図５Ａでは電子アクセプタ層６４ｂと電子ドナー層６６ｂの間、図５Ｂでは電子アクセプタ層６４ｃと電子ドナー層６６ｃの間に形成される。図５Ａおよび５Ｂは類似のフィーチャを含んでおり、図５Ａには第１の電極層６２ｂに隣接して電子ドナー層６６ｂがあり、図５Ｂには、第１の電極層６２ｃに隣接して電子ドナー層６６ｃがある。図を簡単にするために、以下では、図５Ａの太陽電池６０ｂについて説明するが、太陽電池６０ｃとの類似点および相違点を当業者なら理解されよう。
図５Ａを参照すると、太陽電池６０ｂを形成するには、第２の電極層６８ｂの上に電子ドナー層６６ｂをインプリントすることができる。次いで、電子ドナー層６６ｂの上に電子アクセプタ層６４ｂをインプリントすることができる。あるいは、太陽電池６０ｂの形成は、第１の電極層６２ｂ上に電子アクセプタ層６４ｂをインプリントすること、および電子アクセプタ層６４ｂ上に電子ドナー層６６ｂを堆積させることを含んでもよい。例示的なインプリント・プロセスが、その全てがここに参照により組み込まれる、Ｉ．ＭｃＭａｃｋｉｎ等、「Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｗａｆｅｒ Ｄｅｆｅｃｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｔｅｐ ａｎｄ Ｆｌａｓｈ Ｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、査読中、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂ：Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；Ｓ．Ｙ．Ｃｈｏｕ等、「Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ １４（６）、１９９６；Ｈ．Ｔａｎ等、「Ｒｏｌｌｅｒ ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ １６（６）、１９９８；Ｂ．Ｄ．Ｇａｔｅｓ等、「Ｎｅｗ Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｔｏ Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ：Ｍｏｌｄｉｎｇ，Ｐｒｉｎｔｉｎｇ，ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．、１０５、２００５；Ｓ．Ｙ．Ｃｈｏｕ等、「Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍｉｃｒｏｐｉｌｉａｒ ａｒｒａｙｓ」、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ、１７（６）、１９９９；Ｓ．Ｙ．Ｃｈｏｕ等、「Ｕｌｔｒａｆａｓｔ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｉｍｐｒｉｎｔ ｏｆ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ」、Ｎａｔｕｒｅ、４１７、２００２；Ｋ．Ｈ．Ｈｓｕ等、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｕｐｅｒｉｏｎｉｃ Ｓｔａｍｐｓ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．、７（２）、２００７；およびＷ．Ｓｒｉｔｕｒａｖａｎｉｃｈ等、「Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ Ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．、４（６）、２００４にさらに詳しく記載されている。
第１の電極層６２ｂおよび第２の電極層６８ｂは、一般に導電性であり、酸化インジウムスズ、アルミニウムなどを含むがそれらに限定されない材料から形成されてよい。第１の電極層６２ｂの少なくとも一部分が、実質的に透明でよい。さらに、第１の電極層６２ｂは、金属グリッドとして形成されてもよい。金属グリッドは、太陽電池６０ｂのエネルギー（例えば太陽）にさらされる総面積を増大させることができる。金属は、Ｋ．Ｈ．Ｈｓｕ等、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｕｐｅｒｉｏｎｉｃ Ｓｔａｍｐｓ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．、７（２）、２００７に記載されているようなプロセスを使用して直接パターニングされてよい。
電子アクセプタ層６４ｂは、フラーレン誘導体などを含むがそれらに限定されないＮ型材料から形成されてよい。フラーレンは、電解重合するためにチオフェンなどの官能基を結合するように有機修飾されてよい。さらに、フラーレンは、アクリレート、メタクリレート、チオール、ビニル、およびエポキシを含むがそれらに限定されない、ＵＶおよび／または熱にさらされるとすぐに架橋することのできる官能基を結合するように修飾されてもよい。さらに、フラーレン誘導体は、少量の架橋性結合剤を添加することによってインプリントされてもよい。
電子ドナー層６６ｂは、ポリチオフェン誘導体（例えばポリ３−ヘキシルチオフェン）、ポリフェニレンビニレン誘導体（例えばＭＤＭＯ−ＰＰＶ）、ポリ−（チオフェン−ピロール−チオフェン−ベンゾチアジアゾール）誘導体などを含むがそれらに限定されないＰ型材料から形成されてよい。一般に、これらのポリマーの主鎖共役骨格を改変することはできない。しかし、側鎖誘導体は、アクリレート、メタクリレート、チオール、ビニル、およびエポキシを含むがそれらに限定されない、ＵＶおよび／または熱にさらされるとすぐに架橋反応をすることのできる反応性官能基を組み込むように改変されてよい。ここに参照により組み込まれる、Ｋ．Ｍ．Ｃｏａｋｌｅｙ等、「Ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃｅｌｌｓ」、Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．、ＡＣＳ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ、２００４、１６、４５３３〜４５４２ページを参照されたい。セレン化カドミウムおよびテルル化カドミウム、ＴｉＯ２被覆あり、またはなしのＺｎＯナノワイヤなどを含むがそれらに限定されない半導体ナノ結晶を追加すると、ＰＶ材料の効率をさらに向上させることができる。
フラーレン誘導体およびポリシリコンは、ここに参照により組み込まれる、Ｔ．Ｓｈｉｍｏｄａ等、「Ｓｏｌｕｔｉｏｎ−ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｉｌｍｓ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ」、Ｎａｔｕｒｅ、２００６、４４０、７８３〜７８６ページに記載されているように、インク・ジェット技法を使用して堆積されてよい。インク・ジェット技法を使用する堆積は、低コストの非真空堆積を可能にすることができる。ドープしたポリシリコン・タイプの材料をエッチングするには、犠牲レジストおよび反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を用いたシリコン・ベースのリソグラフィ・プロセスを使用することができる。さらに、反応性イオン・エッチングを含むシリコン・ベースのリソグラフィ・プロセスは、中間ハード・マスク（例えばＳｉＮ）を用いて高アスペクト比のパターン付きピラーの使用を可能にすることもできる。
光子の広帯域吸収性を向上させ、かつ約１〜３％の範囲内の効率を与えるために、色素を追加することもできる。ここに参照により組み込まれる、Ｍ．Ｊａｃｏｂｙ、「Ｔａｐｐｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｕｎ：Ｂａｓｉｃ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｄｒｉｖｅｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｌｏｗ−ｃｏｓｔ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｎｅｗｓ、２００７年８月２７日、第８５巻、第３５号、１６〜２２ページを参照されたい。
電子ドナー層６６ｂは、厚さｔPVを有してよい。例えば、電子ドナー層６６ｂの厚さｔPVは、約１００〜５００ｎｍでよい。電子アクセプタ層６４ｂは、長さｐを有する１つまたは複数のピラー７２を有するようにパターニングされてよい。図５Ａは、複数のピラー７２を有する電子アクセプタ層６４ｂを示す。ピラー７２は、断面正方形、断面円形、断面長方形、または他の任意の奇想を凝らした形状を有することができる。例えば、図６は正方形を有するピラー７２の断面図であり、図７は円形を有するピラー７２の断面図である。隣接するピラー７２同士が、１つまたは複数の、それぞれが長さｓを有する凹部７４を形成することができる。
図５Ａおよび６を参照すると、電子ドナー層６６ｂ内での容積の低減は、ピラー７２の長さｐの値および凹部７４の長さｓの値の関数となっていてよい。例えば、ピラー７２の長さｐが凹部７４の長さｓにほぼ等しい場合、パターン付き電子アクセプタ層６４ｂの電子ドナー層６６ｂとの界面（すなわちパターン付きＰ−Ｎ接合部７０ａ）により、電子ドナー層６６ｂの容積が２５％低減され得る。
一実施形態では、凹部７４に長さｓ＝２Ｌを設けることができ、またピラー７２に長さｐ＜２Ｌを設けることができ、ただしＬは、電子ドナー層６６ｂ内で形成される電子の拡散長である。ピラー７２の長さｐをこのように低減すると、電子ドナー層６６ｂの所与の厚さｔPVについて、大きな容積の電子ドナー層６６ｂをもたらすことができる。例えば、Ｌ＝１０ｎｍの場合、ｓ＝２０ｎｍとなり、ｐ＜２０ｎｍとなる。厚さｔPVが２００ｎｍの場合、ピラー７２は、２０：１のアスペクト比を有することができる。しかし、２０：１のアスペクト比は、機械的安定性のため、確実かつ安価に製作するのが困難となる可能性がある。
準最適設計を実施することができる。例えば、拡散長Ｌが約１０ｎｍである場合、ピラー７２の長さｐを約５０ｎｍにて設計し、凹部７４の長さｓを約１００ｎｍに設定することができる。厚さｔPVが２００ｎｍの場合、ピラー７２は約４：１のアスペクト比を有することができる。さらに、電子ドナー層６６ｂの喪失容積は、最適設計での２５％に比べて約８．７％となり得る。
しかし、準最適設計はより低い捕獲効率を有する可能性がある。したがって、準最適設計を、電子ドナー層６６ｂ内の混合ＰＶ材料で補うことができ、その場合、電子ドナー層６６ｂは、Ｉ．Ｇｕｒ等、「Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ Ｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄ Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈｙｐｅｒｂｒａｎｃｈｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．、２００７、７（２）、４０７〜４１４ページ；およびＷ．Ｕ．Ｈｕｙｎｈ等、「ＣｄＳｅ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ Ｒｏｄｓ／Ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ） Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ」、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．、１９９９、１１（１１） ９２３〜９２７ページに記載されているように、無機ナノ・ロッドと混合した共役ポリマーを含有することができる。例示的な混合材料には、５ｎｍ直径のＣｄＳｅナノ結晶とＭｅｈ−ＰＰｖポリ（２−メトキシ−５−（２’−エチル−ヘキシルオキシ）−ｐ−フェニレンビニレン）の混合物、および８×１３ｎｍの細長いＣｄＳｅナノ結晶と位置規則性ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）の混合物があるが、それらに限定されない。そのような混合材料は、上記で論じたパターン付きＰ−Ｎ接合部７０ａの最適な幾何形状からの逸脱による励起子捕獲の潜在性の喪失を大いに克服することができる。
ＺｎＯパターン付きドット
ＺｎＯは、ＺｎＯナノ粒子ではなくドットを使用してパターニングされてよい。パターニングは、ここに参照により組み込まれる、Ｃｏａｋｌｅｙ、「Ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃｅｌｌｓ」、Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．、ＡＣＳ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ、２００４、１６、４５３３〜４５４２ページにさらに詳しく記載されているＺｎＯナノ粒子に比べて配置および均一性を向上させることができる。例えば、ここに参照により組み込まれる、Ｚｈｕ、「ＳｉＣｌ4−Ｂａｓｅｄ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ＺｎＯ ａｎｄ ＭｇxＺｎ1-xＯ Ｆｉｌｍｓ ｏｎ ｒ−Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、Ｊ．ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒ．、２００６、３５：４にさらに詳しく記載されているように、パターニングを行い、それに反応性イオン・エッチングが続いてよい。反応性イオン・エッチングを使用するパターニングは、サイズ制御に加えて、大幅に正確な配置を可能にすることができる。
３次元パターニング
図８Ａおよび８Ｂは、テーパ構造７６および／または多段構造７８を有する例示的太陽電池設計６０ｄおよび６０ｅを示す。テーパ構造７６および／または多段構造７８は、高アスペクト比構造の機械的安定性を増大させることができる。そのような構造は、最大の励起子捕獲に関しては準最適となる可能性があるが、（本明細書で論じた）混合材料と共に使用すると、厚いＰＶ被膜を有するより高効率の太陽電池６０をもたらすことができる。
図８Ｂに示すように、テーパ構造７６の設計は、ほぼ円錐形でよい。一般に、太陽光子の反射は、急な入射角のときに増大され得る。そのことが、光子に電子ドナー層６６ｄの中のより長い経路をたどらせて、光子が吸収される確率を高めることができる。
さらに、空気界面のところの材料が、光子を電子ドナー層６６ｂの中に循環させる助けとなることができる。例えば、先に論じたように、空気界面のところの材料は、それらに限定されないが、フラーレン誘導体、ＩＴＯ、共役ポリマー、およびＴｉＯ2を含むことができる。これらの材料はそれぞれ、約１．５（例えばポリマー）から約２を上回る（例えばフラーレン）範囲の高い屈折率を有する。したがって、臨界角を超える傾斜角で空気界面に接近してくる光は、内面反射することができる。第１の電極層６２ｄが金属接点グリッドである場合、そのことが光子を電子ドナー層６６ｄの中に循環し戻す助けとなることができる。
２重パターニング
図９Ａおよび９Ｂは、複数の電子アクセプタ層６４ｅおよび６４ｆを有する太陽電池設計６０ｅを示す。各電子アクセプタ層６４ｅおよび６４ｆは、ピラー７２を含むことができる。ピラー７２は、電子ドナー層６６ｅ内に突き出して、電子ドナー層６６ｅと電子アクセプタ層６４ｅおよび６４ｆとの間に複数のパターン付きｐ−ｎ接合部７０ａを形成することができる。電子アクセプタ層６４ｅおよび６４ｆは、パッド８０によって接続されてよい。パッド８０は、Ｎ型材料から形成されてよい。さらに、パッド８０は、電子アクセプタ層６４ｅおよび／または６４ｆに類似の材料から形成されてもよい。
第１の電極層６２ｅが、電子ドナー層６６ｅに隣接してよい。第１の電極層６２ｅは、電子アクセプタ層６４ｅおよび／または６４ｆから分離されてもよい。
太陽電池設計６０ｅは、２重パターニング・ステップを使用してパターニングされてよい。２重パターニング・ステップは名目上、パターン付きｐ−ｎ接合部７０ａの面積および電子ドナー層６６ｅの厚さｔPVを２倍にすることができる。インプリントを使用すると、薄いＰＶ材料被膜（例えば＜１０ｎｍ）が残って、パッド８０と下にある電子アクセプタ層６４ｅのピラー７２との間の直接接触を防止することができる。この薄いＰＶ材料被膜は、電子アクセプタ層６４ｅと電子アクセプタ層６４ｆの間に導電性を与えるために、さらに低減されてよい（例えば＜５ｎｍ）。
複数の層を利用する太陽電池形成
図１０〜１６は、太陽電池６０ｇをＮ型材料およびＰ型材料の複数の層を利用して形成する例の簡略側面図である。Ｎ型材料およびＰ型材料の複数の層を形成する際に、異なる層を類似材料および／または異なる材料から形成することができる。例えば、当技術分野でよく知られているように、Ｐ型材料の吸収域は、太陽スペクトルにわたってさまざまである。したがって、異なるＰ型材料から形成された層を使用することにより、太陽電池６０ｇは、太陽スペクトルにわたってより広い吸収域の実現を可能にすることができる。例えば、電子ドナー層６６ｇを、約３００〜６００λ／ｎｍの吸収域を有するＰ３ＨＴを含む材料から形成することができる。太陽スペクトルにわたってより広い吸収域を実現するために、電子ドナー層６６ｈを、約６００〜７００λ／ｎｍの吸収域を有するＭＤＭＯ−ＰＰＶを含む材料から形成することができ、その結果、太陽電池６０ｇは、約３００〜７００λ／ｎｍの吸収域の実現を可能にすることができる。
図１０を参照すると、第１の電極層６２ｇ上に電子アクセプタ層６４ｇを形成することができる。電子アクセプタ層６４ｇは、インプリント・リソグラフィ、フォトリソグラフィ（Ｇ線、Ｉ線、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍ、および１３．２〜１３．４ｎｍを含むさまざまな波長）、干渉リソグラフィ、コンタクト・リソグラフィ、電子ビーム・リソグラフィ、ｘ線リソグラフィ、イオン・ビーム・リソグラフィ、および原子線リソグラフィを含むがそれらに限定されない技法によって形成されてよい。例えば、電子アクセプタ層６４ｇは、本明細書、ならびにその全てがここに参照により組み込まれる、米国特許第６，９３２，９３４号、米国特許出願公開第２００４／０１２４５６６号、米国特許出願公開第２００４／０１８８３８１号、および米国特許出願公開第２００４／０２１１７２２号に記載されているように、インプリント・リソグラフィを使用して形成されてよい。電子アクセプタ層６４ｇをテンプレート１８ａによってパターニングして、ピラー７２ｇおよび残留層８２ｇを形成することができる。ピラー７２ｇは、ナノメートル規模でよい。ピラー７２ｇ相互間にある凹部７４ｇは、拡散長Ｌ（例えば５〜１０ｎｍ）程度でよい。
図１１を参照すると、電子アクセプタ層６４ｇのピラー７２ｇを覆って電子ドナー層６６ｇを配置することができる。これは、スピン・オン技法、接触平坦化などを含むがそれらに限定されない方法によって達成されてよい。
図１２を参照すると、ブランケット・エッチを使用して、電子ドナー層６６ｇの一部分を除去することができる。ブランケット・エッチは、湿式エッチまたは乾式エッチでよい。別の実施形態では、化学的機械的研磨／平坦化を使用して、電子ドナー層６６ｇの一部分を除去することができる。電子ドナー層６６ｇの一部分を除去すると、頂上面８６ａをもたらすことができる。頂上面８６ａは全体として、各ピラー７２ｇの少なくとも一部分の表面８８および電子ドナー層６６ｇの少なくとも一部分の表面９０を備える。
図１３を参照すると、第２の電子アクセプタ層６４ｈを形成することができる。第２の電子アクセプタ層６４ｈをパターニングして、凹部７４ｈを形成するピラー７２ｈおよび残留層８２ｈを得ることができる。ピラー７２ｈおよび凹部７４ｈは、上記で論じたように、拡散長Ｌ、すなわち５〜１０ｎｍ程度でよい。
第２の電子アクセプタ層６４ｈは、上記で論じたように、インプリント・リソグラフィまたは他の方法を使用して、テンプレート１８ｂによって形成されてよい。テンプレート１８ｂは、パターニング領域９５および凹領域９３を含むことができ、パターニング領域９５が凹領域９３を取り囲んでいる。テンプレート１８ｂの凹領域９３により、第２の電子アクセプタ層６４ｈを非連続とすることができる。例えば、第２の電子アクセプタ層６４ｈは、ここに参照により組み込まれる米国特許出願公開第２００５／００６１７７３号にさらに詳しく記載されているように、第２の電子アクセプタ層６４ｈ、テンプレート１８ｂ、および／または電子アクセプタ層６４ｇの材料のうちいずれかの間の毛管力の結果、凹領域９３と重なり合うことができない。一般に、第２の電子アクセプタ層６４ｈの非連続部分は、Ｎ型材料のマトリックスの欠如により、電子捕獲のわずかな減少を招く可能性がある。電子アクセプタ層６４ｇも、設計上の考慮事項に応じて非連続に形成することができる。
図１４を参照すると、ピラー７２ｈを覆って第２の電子ドナー層６６ｈを配置することができる。第２の電子ドナー層６６ｈは、第１の電子ドナー層６６ｇに関して上述した技法のいずれかを使用して形成されてよい。
図１５を参照すると、ブランケット・エッチを使用して、第２の電子ドナー層６６ｈの一部分を除去し、それにより頂上面８６ｂをもたらすことができる。頂上面８６ｂは、各ピラー７２ｈの表面８８ｂの少なくとも一部分、および第２の電子ドナー層６６ｈの表面８８ｂの少なくとも一部分によって画定される。ブランケット・エッチは、湿式エッチまたは乾式エッチでよい。別の実施形態では、化学的機械的研磨／平坦化を使用して、第２の電子ドナー層６６ｈの少なくとも一部分を除去し、それにより頂上面８６ｂをもたらすことができる。第２の電子アクセプタ層６４ｈおよび電子アクセプタ層６４ｇは、電極層６２ｇと電気的に連通することができる。さらに、第２の電子ドナー層６６ｈは、電子ドナー層６６ｇと電気的に連通することができ、どちらも電極９６と電気的に連通することができる。
太陽電池６０ｇは、追加の電子ドナー層および電子アクセプタ層を形成するために、上述したのとほぼ同じプロセスにかけられてよい。例えば、図１６には３層の電子アクセプタ層６４ｇ〜ｉおよび３層の電子ドナー層６６ｇ〜ｉが示されているが、当業者には、設計上の考慮事項に応じて任意数の層を形成できることを理解されたい。
図１７〜２１は、別の太陽電池６０ｊを複数の層を利用して形成する例の簡略側面図である。
図１７を参照すると、電極層６２ｊ上に電子アクセプタ層６４ｊをパターニングすることができる。電子アクセプタ層６４ｊは、ピラー７２ｊおよび残留層８２ｊを備えることができる。ピラー７２ｊおよび残留層８２ｊは、凹部７４ｊを形成することができる。凹部７４ｊの長さｓは、上記で詳細に説明したように、拡散長Ｌ、すなわち５〜１０ｎｍ程度でよい。電子アクセプタ層６４ｊは、図１０〜１６に関して上記で詳細に説明した電子アクセプタ層６４ｇとほぼ同じものでよく、ほぼ同じように形成されてよい。
図１８を参照すると、化学気相成長（ＣＶＤ）技法、物理気相成長（ＰＶＤ）技法、スピン・コーティング技法、および液滴供給技法を含むがそれらに限定されない技法によって、電子アクセプタ層６４ｊの少なくとも一部分を覆って電子ドナー層６６ｊを配置することができる。電子ドナー層６６ｊは、パターニング領域９３および凹領域９５を有するテンプレート１８ｃによってパターニングされてよい。例えば、テンプレート１８ｃの凹領域９５はミクロン規模でよい。インプリント中、テンプレート１８ｃのパターニング領域９３および凹領域９５が、電子ドナー層６６ｊの第１の領域８３および第２の領域８５を、上述のように、電子ドナー層６６ｊ、テンプレート１８ｃ、電極層６２ｊ、および／または電子アクセプタ層６４ｊの間の毛管力から形成することができる。したがって、ピラー７２ｊの表面７９の少なくとも一部分を露出して、無充填領域７７を画定することができる。
図１９を参照すると、電子ドナー層６６ｊ上に第２の電子アクセプタ層６４ｋを配置することができる。第２の電子アクセプタ層６４ｋをパターニングして、ピラー７２ｋおよび残留層８２ｋを得ることができる。第２の電子アクセプタ層６４ｋは、上述の電子アクセプタ層６４ｊとほぼ同じものでよく、ほぼ同じように形成されてよい。
第２の電子アクセプタ層６４ｋの残留層８２ｋと電子アクセプタ層６４ｊの残留層８２ｊとの間の間隔は、拡散長Ｌ、すなわち５〜１０ｎｍ程度でよい。さらに、第２の電子アクセプタ層６４ｋは、無充填領域７７内に配置されてよい。その結果、第２の電子アクセプタ層６４ｋを電子層６４ｊに結合して、どちらも電極層６２ｊと電気的に連通することができる。
図２０を参照すると、ピラー７２ｋを覆って第２の電子ドナー層６６ｋを配置することができる。第２の電子ドナー層６６ｋは、上記で詳細に説明した電子ドナー層６６ｊと類似していてよく、ほぼ同じように形成されてよい。さらに、第２の電子ドナー層６６ｋは電子ドナー層６６ｊと電気的に連通して、どちらも電極９６ｂと電気的に連通することができる。
太陽電池６０ｊは、追加の電子ドナー層および電子アクセプタ層を形成するために、上述したのとほぼ同じプロセスにかけられてよい。例えば、図２１には３層のアクセプタ層６４ｊ〜ｌおよび３層の電子ドナー層６６ｊ〜ｌが示されているが、当業者には、設計上の考慮事項に応じて任意数の層を形成できることを理解されたい。
パターニングとそれに続き活性材料の薄い共形被覆を利用する太陽電池設計
図２２〜２５は、電子アクセプタ層６４ｍを多層基板１００から形成する例の簡略側面図である。一般に、多層基板１００は、基板層１０４、電極層１０６、および接着剤層１０８から形成されてよい。パターン付き層４６ａを、主凹部２４ａおよび副凹部２４ｂを有するテンプレート１８ｄによって形成することができる。主凹部２４ａは、パターン付き層４６ａに、凸部５０ａおよび凹部５２ｂを含むフィーチャを形成するのを助ける。副凹部２４ｂは、電子アクセプタ層６４ｍに１つまたは複数のギャップ１０２を形成するのを助ける。パターン付き層４６ａ上に共形被覆１１０を堆積させることができ、共形被覆１１０と電極層１０６の間の電荷の移動を容易にするようにギャップ１０２を分配することができる。
図２２に示すように、多層基板１００は、基板層１０４、電極層１０６、および接着剤層１０８から形成されてよい。基板層１０４は、プラスチック、溶融シリカ、石英、シリコン、有機ポリマー、シロキサンポリマー、ホウケイ酸ガラス、フルオロカーボンポリマー、金属、硬化サファイア、および／または同様のものを含むがそれらに限定されない材料から形成されてよい。基板層１０４は、厚さｔ3を有することができる。例えば、基板層１０４は、約１０μｍ〜１０ｍｍの厚さｔ3を有することができる。
電極層１０６は、アルミニウム、酸化インジウムスズなどを含むがそれらに限定されない材料から形成されてよい。電極層１０６は、厚さｔ4を有することができる。例えば、電極層１０６は、約１〜１００μｍの厚さｔ4を有することができる。
接着剤層１０８は、ここに参照により組み込まれる米国特許出願公開第２００７／０２１２４９４号にさらに詳しく記載されているような接着剤から形成されてよい。接着剤層１０８は、厚さｔ5を有することができる。例えば、接着剤層１０８は、約１〜１０ｎｍの厚さｔ5を有することができる。
図２３に示すように、パターン付き層４６ａは、成形可能Ｎ型材料を多層基板１００の表面４４ａおよびテンプレート１８ｄの形状に共形になるように固化および／または架橋することによって、テンプレート１８ｄと多層基板１００の間に形成されてよい。パターン付き層４６ａは、残留層４８ａ、ならびに凸部５０ａおよび凹部５２ａとして示すフィーチャを備えることができる。凸部５０ａは厚さｔ6を有することができ、残留層は厚さｔ7を有することができる。残留層は、約１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さｔ7を有することができる。凸部５０ａの間隔および高さは、ピラー７２を形成するのに最適な設計および／または準最適な設計に基づいてよい。例えば、凸部５０の厚さｔ6は、５０〜５００ナノメートル規模でよく、凸部５０ａの間隔は、拡散長Ｌ（例えば５〜５０ｎｍ）程度でよい。
さらに、パターン付き層４６ａは、１つまたは複数のギャップ１０２を有することができる。ギャップ１０２のサイズおよびギャップ１０２の数は、ギャップ１０２が多層基板１００の総面積の１〜１０％を上回って消費しないようなものでよい。図２４に示すように、ギャップ１０２内の接着剤層１０８を、酸化ステップによって除去することができる。例えば、ギャップ１０２内の接着剤層１０８は、パターン付き層４６ａの形状およびサイズに対して大きな影響を及ぼさない酸化ステップ（例えばＵＶオゾンもしくは他のプラズマ法、または硫酸などの酸化湿式法への短い暴露）によって除去されてよい。
図２５に示すように、パターン付き層４６ａおよびギャップ１０２上に共形被覆１１０を堆積させて、ピラー７２を有する電子アクセプタ層６４ｍを形成することができる。共形被覆１１０は、本明細書で論じたＮ型材料から形成されてよい。そのようなＮ型材料（例えばフラーレンＣ６０）は、昇華によって気相成長させられてよい。例えば、そのようなＮ型材料は、Ｃ６０粉末を用いて１０〜６トルの真空チャンバ内で室温にて物理気相成長することによって堆積されてよい。別の例では、そのようなＮ型材料（例えばフラーレン）は、商業的に入手可能なフラーレン粉末を装填した電子ビーム蒸着器で堆積されてよい。
共形被覆１１０は、厚さｔ8を有することができる。例えば、共形被覆１１０は、約１〜１０ｎｍの厚さを有することができる。図示のように、共形被覆１１０は、ギャップ１０２によって電極層１０４と直接連通することができる。
次いで、Ｎ型共形被覆を、Ｐ型材料を用いたインク・ジェットを使用してさらに被覆または堆積できることに留意されたい。Ｐ型材料は、本明細書で論じたように、それらに限定されないが、ポリチオフェン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリ−（チオフェン−ピロール−チオフェン−ベンゾチアジアゾール）誘導体などを含むことができる。この後に上部導体の製作が続くと、図５Ｂの太陽電池に類似の太陽電池をもたらすことができる。
ギャップ１０２相互間の距離、およびギャップ１０２のサイズは、（先に論じたように）デバイス面積の喪失を最小限に抑えるようにだけでなく、パターン付きＰ−Ｎ界面で励起子が解離することによって形成される荷電粒子が底部電極に向かって移動する距離を最小限に抑えるという相反する要件に対処するようにも選択されてよい。
１０ リソグラフィ・システム； １２ 基板； １４ 基板チャック；
１６ ステージ； １８ テンプレート； ２０ モールド；
２２ パターニング面； ２４ 凹部； ２６ 凸部；
３０ インプリント・ヘッド； ３２ 流体供給システム； ３８ 供給源；
５４ プロセッサ； ５６ メモリ。

Claims (23)

  1. １００ナノメートル未満の分解能を有する第１のテンプレートと第１の電極層の間にある成形可能Ｎ型材料をパターニングして、前記Ｎ型材料を固化することによって形成された第１の電子アクセプタ層であって、複数のピラーおよび複数の凹部を有する第１の電子アクセプタ層と、
    前記第１の電子アクセプタ層の少なくとも一部分上に堆積された第１の電子ドナー層であって、前記第１の電子ドナー層および前記第１の電子アクセプタ層が少なくとも１つのパターン付きｐ−ｎ接合部を形成する、第１の電子ドナー層と
    を備える太陽電池。
  2. 前記第１の電子アクセプタ層の少なくとも１つのピラーがテーパ状である、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記テーパ状ピラーがほぼ円錐形である、請求項２に記載の太陽電池。
  4. 前記第１の電子アクセプタ層の少なくとも１つのピラーが少なくとも２段から形成される、請求項１に記載の太陽電池。
  5. 前記第１の電子ドナー層上に形成された第２の電極層をさらに備える、請求項１に記載の太陽電池。
  6. 前記第２の電極層が金属グリッドである、請求項５に記載の太陽電池。
  7. 第２のテンプレートと前記第１の電子ドナー層の間にある第２の成形可能Ｎ型材料をパターニングして、前記第２の成形可能Ｎ型材料を固化することによって形成された第２の電子アクセプタ層であって、複数のピラーおよび複数の凹部を有する第２の電子アクセプタ層
    をさらに備える、請求項１に記載の太陽電池。
  8. 第１の電子アクセプタ層を第２の電子アクセプタ層に接続する、第３のＮ型材料から形成されたパッドをさらに備える、請求項７に記載の太陽電池。
  9. 前記パッドと前記第１の電子アクセプタ層の間にある光起電力材料層をさらに備える、請求項８に記載の太陽電池。
  10. 前記パッドと前記第２の電子アクセプタ層の間にある光起電力材料層をさらに備える、請求項９に記載の太陽電池。
  11. 前記第１の電子ドナー層および第２の電子ドナー層が、前記第１の電極層と電気的に連通する、請求項７に記載の太陽電池。
  12. 前記第２の電子アクセプタ層上に堆積された第２の電子ドナー層をさらに備える、請求項７に記載の太陽電池。
  13. 前記第１の電子ドナー層が、第１の吸収域を有する材料から形成され、前記第２の電子ドナー層が、第２の吸収域を有する材料から形成され、前記第１の吸収域が前記第２の吸収域とは異なる、請求項１２に記載の太陽電池。
  14. 前記第１の電子アクセプタ層が、少なくとも１つのギャップを形成するため非連続である、請求項１に記載の太陽電池。
  15. 前記ギャップ上に前記第１の電極層と電気的に連通するように堆積された共形被覆を第１の電子アクセプタ層が含む、請求項１４に記載の太陽電池。
  16. 少なくとも１つのピラーが、励起子の拡散長の約２倍未満の長さによってさらに画定される、請求項１に記載の太陽電池。
  17. 少なくとも１つのピラーが、励起子の拡散長未満の長さによってさらに画定される、請求項１に記載の太陽電池。
  18. 前記凹部が前記ピラー間に連続的に点在する、請求項１に記載の太陽電池。
  19. 第１の電子ドナー層が前記第１の電子アクセプタ層の凹部内に堆積される、請求項１８に記載の太陽電池。
  20. 励起子を拡散させるための前記パターン付きｐ−ｎ接合部が拡散長Ｌによって画定され、少なくとも１つのピラーが約２Ｌ未満の長さによって画定され、少なくとも１つの凹部が約２Ｌの長さによって画定される、請求項１８から１９のいずれか一項に記載の太陽電池。
  21. 第１の電極層と、
    第１のテンプレートと第１の電極層の間にある成形可能Ｎ型材料をパターニングして、前記Ｎ型材料を固化することによって形成された少なくとも１つの非連続ギャップを有する多層基板であって、複数の凹部とそこに連続的に点在する複数のピラーを有する多層基板、および
    前記多層基板上に前記第１の電極層と電気的に連通するように堆積された共形被覆
    を備える第１の電子アクセプタ層と、
    前記第１の電子アクセプタ層上、および前記第１の電子アクセプタ層内に形成された凹部内に堆積された第１の電子ドナー層であって、堆積されると前記第１の電子ドナー層と前記第１の電子アクセプタ層の間にパターン付きｐ−ｎ接合部が形成される、第１の電子ドナー層と、
    前記第１の電子ドナー層上に堆積された第２の電極層と
    を備える太陽電池。
  22. 相互接続されたＮ型材料とＰ型材料の間に電気的連通を形成する多層構造であって、
    第１の電極層と、
    成形可能Ｎ型材料から形成された複数の電子アクセプタ層であって、少なくとも１層の電子アクセプタ層が、１００ナノメートル未満の分解能を有する第１のテンプレートと前記第１の電極層の間にある前記成形可能Ｎ型材料をパターニングして、前記Ｎ型材料を固化することによって形成され、前記複数の電子アクセプタ層が複数のピラーおよび複数の凹部を有する、複数の電子アクセプタ層と、
    前記複数の電子アクセプタ層が連続的に点在する複数の電子ドナー層であって、各電子ドナー層が太陽スペクトル内の吸収域を有する、複数の電子ドナー層と、
    少なくとも１層の電子ドナー層に隣接して配置された第２の電極層と
    を備える多層構造。
  23. 少なくとも２層の電子ドナー層が、太陽スペクトル内の異なる吸収域を有する、請求項２２に記載の多層構造。
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