KR20100094501A - 나노구조의 유기 태양전지 - Google Patents
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Abstract
적어도 하나의 전자 수용체 층, 및 패턴화된 p-n 접합을 형성하는 적어도 하나의 전자 도너 층을 구비한 태양전지가 개시된다. 전자 수용체 층은 템플릿과 전극 층 사이에 포머블 N-타입 재료를 패턴화하고 포머블 N-타입 재료를 고체화함으로써, 형성될 수 있다.
Description
나노-제조는 100 나노미터 이하의 피처(feature)를 가지는 매우 작은 구조의 제조를 포함한다. 나노-제조가 큰 영향을 미치는 하나의 애플리케이션은 집적회로의 프로세싱이다. 반도체 프로세싱 산업은 지속적으로 대량생산화되는 한편, 하나의 기판에 형성되는 단위면적당 회로수는 증가하여, 나노-제조가 점점 더 중요해지고 있다. 나노-제조는 더 큰 프로세스 제어를 제공하고, 형성되는 구조의 최소 피처 치수의 지속적인 감소를 가능하게 한다. 나노-제조가 사용되는 다른 발전 분야는 생물공학, 광학 기술, 기계 시스템 등을 포함한다.
오늘날 사용되는 하나의 예시적인 나노-제조 기술은 일반적으로 임프린트 리소그래피라 불리는 것이다. 예시적인 임프린트 리소그래피 프로세스는 미국특허 공개번호 제2004/0065976호, 미국특허 공개번호 제2004/0065252호, 미국특허번호 제6,936,194호와 같은, 다수의 공개물에 상세하게 서술되어 있다.
앞서 언급된 미국 특허 공보, 및 특허 각각에 서술된 임프린트 리소그래피 기술은 형성가능한 층(폴리머화 가능한) 내의 신뢰 패턴의 형성, 및 아래에 놓인 기판으로 신뢰 패턴에 대응하는 패턴을 전이하는 것을 포함한다. 기판은 패턴화 공정을 용이하게 하기 위해 원하는 위치조절을 얻기 위해 이동 스테이지에 연결될 수 있다. 패턴화 공정은 기판으로부터 이격된 템플릿, 및 템플릿과 기판 사이에 적용되는 포머블(formable) 액체를 사용한다. 포머블 액체는 포머블 액체와 접촉하는 템플릿 면의 형상에 따르는 패턴을 가지는 리지드 층을 형성하기 위해 고체화된다. 고체화 후, 템플릿과 기판이 이격되도록, 템플릿은 리지드 층으로부터 분리된다. 그 다음, 기판과 고체화된 층은 고체화된 층 내의 패턴과 대응하는 기판으로 신뢰 이미지를 전이하기 위한 추가적인 공정을 거친다.
본 발명이 더욱 상세하게 이해될 수 있도록, 본 발명의 실시예의 설명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 제공된다. 그러나, 첨부된 도면은 본 발명의 전형적인 실시예만 도시하므로, 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 함을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 리소그래피 시스템의 간략한 측면도를 도시한다.
도 2는 패턴화된 층을 가진 도 1에 도시된 기판의 간략한 측면도를 도시한다.
도 3은 하나의 예시적인 태양전지 디자인의 간략한 측면도를 도시한다.
도 4는 다른 예시적인 태양전지 디자인의 간략한 측면도를 도시한다.
도 5a는 패턴화된 p-n 접합을 가진 하나의 예시적인 태양전지 디자인의 간략한 측면도를 도시한다.
도 5b는 패턴화된 p-n 접합을 가진 다른 예시적인 태양전지 디자인의 간략한 측면도를 도시한다.
도 6은 하나의 예시적인 P-N 스택 디자인의 단면도를 도시한다.
도 7은 다른 예시적인 P-N 스택 디자인의 단면도를 도시한다.
도 8a는 다층 태퍼형 구조를 가진 다른 예시적인 태양전지의 간략한 측면도를 도시한다.
도 8b는 도 8a에 도시된 태퍼형 구조의 확대된 도면을 도시한다.
도 9a는 복수 층을 가진 하나의 예시적인 P-N 스택 디자인의 간략한 측면도를 도시한다.
도 9b는 도 9a에 도시된 P-N 스택 디자인의 평면도를 도시한다.
도 10-16은 복수 층을 가진 태양전지의 하나의 예시적인 형성 방법을 도시한다.
도 17-21은 복수 층을 가진 태양전지의 다른 예시적인 형성 방법을 도시한다.
도 22-25는 다층 기판으로부터 예시적인 N-층 형성의 간략한 측면도를 도시한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 리소그래피 시스템의 간략한 측면도를 도시한다.
도 2는 패턴화된 층을 가진 도 1에 도시된 기판의 간략한 측면도를 도시한다.
도 3은 하나의 예시적인 태양전지 디자인의 간략한 측면도를 도시한다.
도 4는 다른 예시적인 태양전지 디자인의 간략한 측면도를 도시한다.
도 5a는 패턴화된 p-n 접합을 가진 하나의 예시적인 태양전지 디자인의 간략한 측면도를 도시한다.
도 5b는 패턴화된 p-n 접합을 가진 다른 예시적인 태양전지 디자인의 간략한 측면도를 도시한다.
도 6은 하나의 예시적인 P-N 스택 디자인의 단면도를 도시한다.
도 7은 다른 예시적인 P-N 스택 디자인의 단면도를 도시한다.
도 8a는 다층 태퍼형 구조를 가진 다른 예시적인 태양전지의 간략한 측면도를 도시한다.
도 8b는 도 8a에 도시된 태퍼형 구조의 확대된 도면을 도시한다.
도 9a는 복수 층을 가진 하나의 예시적인 P-N 스택 디자인의 간략한 측면도를 도시한다.
도 9b는 도 9a에 도시된 P-N 스택 디자인의 평면도를 도시한다.
도 10-16은 복수 층을 가진 태양전지의 하나의 예시적인 형성 방법을 도시한다.
도 17-21은 복수 층을 가진 태양전지의 다른 예시적인 형성 방법을 도시한다.
도 22-25는 다층 기판으로부터 예시적인 N-층 형성의 간략한 측면도를 도시한다.
도면, 특히 도 1을 참조하면, 기판(12) 위에 신뢰 패턴을 형성하기 위해 사용되는 리소그래피 시스템(10)이 도시되어 있다. 기판(12)은 기판 처크(chuck, 14)에 연결될 수 있다. 도시된 바와 같이, 기판 처크(14)는 진공 처크이다. 기판 처크(14)는, 그러나, 진공, 핀-타입, 그루브-타입, 정전기적, 전자기적 등과 같은 임의의 처크일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 예시적인 처크는 미국특허번호 제6,873,087호에 서술되어 있다.
기판(12) 및 기판 처크(14)는 또한 스테이지(16)에 의해 지지될 수 있다. 스테이지(16)는 x축, y축, 및 z축을 따른 이동을 제공할 수 있다. 스테이지(16), 기판(12), 및 기판 처크(14)는 또한 (도시되지 않은) 베이스 위에 놓여질 수 있다.
템플릿(18)은 기판(12)으로부터 이격되어 있다. 템플릿(18)은 템플릿에서부터 기판(12)을 향해 뻗어 있는 메사(20)를 포함할 수 있고, 메사(20)는 그 위에 패턴화 면(22)을 가진다. 또한, 메사(20)는 몰드(20)라고도 불린다. 대안으로서, 템플릿(18)은 메사(20) 없이 형성될 수도 있다.
템플릿(18) 및/또는 몰드(20)는 퓨징된 실리카(fused-silica), 석영, 유기 폴리머, 실록산 폴리머, 붕규산 유리, 플루오로카본 폴리머, 금속, 강화 사파이어 등을 포함하는 재료로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 도시된 바와 같이, 패턴화 면(22)은 복수의 이격된 오목부(24) 및/또는 돌출부(26)에 의해 형성된 피처를 포함하지만, 본 발명의 실시예는 이러한 구성으로 제한되지 않는다. 패턴화 면(22)은 기판(12)상에 형성된 패턴의 베이시스(basis)를 형성하는 임의의 오리지널 패턴을 형성할 수 있다.
템플릿(18)은 처크(28)에 연결될 수 있다. 처크(28)는 진공, 핀-타입, 그루브-타입, 정전기적, 전자기적, 및/또는 다른 유사한 처크 타입으로 구성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 예시적인 처크는 미국특허번호 제6,873,087호에 더 서술되어 있다. 또한, 처크(28)는 임프린트 헤드(30)에 연결될 수 있고, 처크(28) 및/또는 임프린트 헤드(30)는 템플릿(18)의 이동을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
시스템(10)은 유체 분사 시스템(32)을 더 포함할 수 있다. 유체 분사 시스템(32)은 기판(12)상에 폴리머화 가능한 재료(34)를 증착시키기 위해 사용될 수 있다. 폴리머화 가능한 재료(34)는 방울 분사, 스핀-코팅, 딥 코팅, 화학적 증기 증착(CVD), 물리적 증기 증착(PVD), 박막 증착, 후막 증착 등과 같은 기술을 사용하여 기판(12) 위에 위치될 수 있다. 폴리머화 가능한 재료(34)는 설계 고려사항에 따라 몰드(20)와 기판(12) 사이에 원하는 체적이 형성되기 전, 및/또는 그 후에 기판(12) 위에 증착될 수 있다. 폴리머화 가능한 재료(34)는 미국특허번호 제7,157,036호, 및 미국특허 공개번호 제2005/0187339호에 서술된 모노머 혼합물을 포함할 수 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 시스템(10)은 에너지(40)를 경로(42)를 따라 지향시키도록 연결된 에너지 소스(38)를 더 포함할 수 있다. 임프린트 헤드(30) 및 스테이지(16)는 경로(42)와 중첩하여 템플릿(18)과 기판(12)을 위치시키도록 구성될 수 있다. 시스템(10)은 스테이지(16), 임프린트 헤드(30), 유체 분사 시스템(32), 및/또는 소스(38)와 통신하는 프로세서(54)에 의해 통제될 수 있고, 메모리(56) 내에 저장된 컴퓨터 판독가능한 프로그램상에서 작동할 수 있다.
임프린트 헤드(30), 스테이지(16) 중 하나 또는 둘 모두는 그 사이가 폴리머화 가능한 재료(34)로 채워지는 원하는 체적을 형성하기 위해 몰드(20)와 기판(12) 사이의 거리를 변경한다. 예를 들어, 임프린트 헤드(30)는 몰드(20)가 폴리머화 가능한 재료(34)와 접촉하도록, 템플릿(18)에 힘을 가할 수 있다. 원하는 체적이 폴리머화 가능한 재료(34)로 채워진 후, 소스(38)는 폴리머화 가능한 재료(34)를 기판(12) 상에 패턴화된 층(46)을 형성하는 패턴화 면(22), 및 기판(12)의 표면(44)의 형상에 따라 고체화 및/또는 가교(cross-link)시키는 에너지(40), 예컨대, 자외선을 산출한다. 패턴화된 층(46)은 잔여층(48), 및 돌출부(50) 및 오목부(52)로 도시된 복수의 피처를 포함할 수 있고, 돌출부(50)는 두께 t1을 가지고, 잔여층은 두께 t2를 가진다. 폴리머화 가능한 재료(34)의 고체화 및/또는 가교가 전하를 띤 입자에 노출시키는 것, 온도 변화, 증발, 및/또는 다른 유사한 방법을 포함한 다른 방법을 통해 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않음을 이해해야 한다.
앞서 언급된 시스템 및 프로세스는 또한 미국특허번호 제6,932,934호, 미국특허 공개번호 제2004/0124566호, 미국특허 공개번호 제2004/0188381호, 및 미국특허 공개번호 제2004/0211754호에 언급된 임프린트 리소그래피 공정 및 시스템에 사용될 수 있다.
유기 태양전지
저비용의 나노-패턴화의 유용성은 유기 광전지 재료의 효율을 실질적으로 향상시키는 유기 태양전지 디자인을 제공하는 것이다. 몇몇 리소스는 합리적인 비용으로 나노구조의 재료를 생산하는 능력이 다음 세대의 태양전지의 효율을 상당히 향상할 수 있음을 보여준다. 엠. 쟈코비의 "태핑 더 썬: 기본 화학이 새로운 저비용 태양전지의 개발을 이끌다" 화학&공학 뉴스, 2007년 8월 27일자, 볼륨 85, 넘버 35, 16-22 페이지; 아이. 구르 등의 "하이퍼브랜치형 반도체 나노결정 기반의 규정된 나노크기 형태를 가진 하이브리드 태양전지", 나노레터, 7(2), 409-414, 2007; 지.더블유. 크랩트리 등의 "태양 에너지 변환", 피직스 투데이(Physics Today), 2007년 3월호, 37-42 페이지; 에이. 제이. 노직의 "퀀텀 도트 내의 여기 증배 및 이완 역학: 초고효율의 태양 광자 변환을 위한 애플리케이션", 무기화학(Inorg. Chem.), 2005, 44, 6893-6899 페이지; 및 엠. 로우 등의 "나노와이어 염료-감응형 태양전지" 네이처 재료(Nature Materials), 4, 455, 2005를 참조할 수 있다.
유기 함유 비실리콘(non-Si) 기반의 태양전지는 일반적으로 2개의 카테고리: 유기 태양전지 및 무기/유기 하이브리드 전지로 나누어진다. N-타입 재료는 유기 변형된 풀러린(organic modified fullerene), 나노 결정(예컨대, TiO2, ZnO) 위에 코팅된 유기 광 수집 염료(organic photo harvested dye) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 유기 변형된 풀러린으로부터 N-재료를 형성함에 있어서, 태양전지는 P-재료 형태의 공액 폴리머(conjugated polymer)를 사용하여, 도너-수용체 메커니즘에 의해 구성될 수 있다. 유기 광 수집 염료로부터 N-재료를 형성함에 있어서, 염료-감응형 나노 결정(예컨대, TiO2, ZnO, ZnO 위에 코팅된 TiO2)은 태양 전지(그라첼 태양 전지라고도 함)를 형성하기 위해 액체 전해질과 결합하여 사용될 수 있다.
무기/유기 하이브리드 셀에서, P-타입 재료는 유기 공액 폴리머로 형성될 수 있고, N-타입 재료는 TiO2, CdSe, CdTe, 및 다른 유사한 반도체 재료를 포함하는 무기 재료로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
도 3은 유기 광전지(PV) 재료를 가진 하나의 예시적인 태양전지 디자인(60)의 개략적인 도면을 도시한다. 일반적으로, 태양전지(60)는 제1 전극 층(62), 전자 수용체 층(64), 전자 도너 층(66), 및 제2 전극 층(68)을 포함할 수 있다. 태양전지 디자인(60)은 전자 수용체 층(64)에 인접한 전자 도너 층(66)에 의해 형성된 P-N 접합(70)을 포함할 수 있다.
도 4는 다른 예시적인 태양전지 디자인(60a)을 도시한다. 이 태양전지 디자인(60a)은 제1 전극 층(62a), 혼합 PV 층(65a), 및 제2 전극 층(68a)을 포함할 수 있다. 본 디자인의 컴포넌트는 아이. 구르 등의 "하이퍼브랜치형 반도체 나노결정을 기반으로 하는 규정된 나노 크기 형태를 가진 하이브리드 태양전지", 나노레터, 7(2), 409-414, 2007에 상세히 설명되어 있다.
태양전지 디자인(60a)의 제1 전극 층(62a) 및 제2 전극 층(68a)은 태양전지 디자인(60)의 제1 전극 층(62) 및 제2 전극 층(68)과 유사한 디자인일 수 있다. 혼합 PV 층(65a)은 N-타입 무기 나노입자가 블렌드된(blended) PV 재료로 형성될 수 있다.
다른 예시적인 태양전지 디자인은 염료감응형 ZnO 나노와이어를 포함할 수 있다. 본 디자인은 비. 오'레간 등의 "염료감응형 콜로이드 TiO2 필름을 기반으로 하는 저비용, 고효율의 태양전지", 네이처 353, 737-740(1991)에 상세히 서술되어 있는 그라첼 전지를 대체로 기초로 하는, 엠. 로우 등의, "나노와이어 염료감응형 태양전지", 네이처 재료, 4, 455, 2005에 상세히 서술되어 있다.
태양전지의 최적 및
준최적(sub-optimal)의
디자인
입사 광자에 의해 PV 재료 내에 생성되는 여기(전자/홀 쌍)는 확산 길이 L을 가질 수 있다. 예를 들어, 여기는 대략 5 내지 30nm인 확산 길이 L을 가질 수 있다. 도 3을 참조하면, 전자 수용체 층(64)은 패턴화된 구조가 강화된 여기 캡처 효율을 제공하는 확산 길이 L에 접근하는 부분인 패턴화된 P-N 접합(70)을 형성하도록 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 디자인은 캡처 효율을 증가시키기 위해 도 5a 및/또는 5b에 도시된 디자인으로 개작될 수 있다.
도 5a 및 5b는 패턴화된 P-N 접합(70a)을 가진 예시적인 태양전지(60b 및 60c)의 개략적인 도면을 도시한다. 일반적으로, 패턴화된 P-N 접합(70a)은 도 5a에 도시된 전자 수용체 층(64a)과 전자 도너 층(66a) 사이에, 그리고, 도 5b에 도시된 전자 수용체 층(64c)과 전자 도너 층(66c) 사이에 제공된다. 도 5a 및 5b는 유사한 형태를 포함하는데, 도 5a는 제1 전극 층(62b)에 인접한 전자 도너 층(66b)을 가지고, 도 5b는 제1 전극 층(62c)에 인접한 전자 도너 층(66c)을 가진다. 간략함을 위해, 지금부터 도 5a의 태양전지(60b)를 설명할 것이지만, 당업자들은 태양전지(60c)와의 유사점과 차이점을 이해할 것이다.
도 5a를 참조하면, 태양전지(60b)를 형성하기 위해, 전자 도너 층(66b)은 제2 전극 층(68b) 위에 임프린트될 수 있다. 그 다음, 전자 수용체 층(64b)은 전자 도너 층(66b) 위에 임프린트될 수 있다. 대안으로서, 태양전지(60b)의 형성은 제1 전극 층(62b) 위에 전자 수용체 층(64b)을 임프린트하는 것과, 전자 수용체 층(64b) 위에 전자 도너 층(66b)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 예시적인 임프린팅 프로세스는 아이. 맥매킨 등의 "단계적 패턴화된 웨이퍼 결함 밀도 분석 및 플래시 임프린트 리소그래피", 언더 리뷰, 진공 과학 및 기술 저널 B: 마이크로전자공학 및 나노구조; 에스. 와이. 슈. 등의 "나노임프린트 리소그래피", J. Vac. Sci. Technol. B 14(6), 1996; 에이치. 탄 등의 "롤러 나노임프린트 리소그래피", J. Vac. Sci. Technol. B 16(6), 1998; 비.디.게이츠 등의 "나노 제조의 새로운 접근: 몰딩, 프린팅 등의 기술" Chem. Rev., 105, 2005; 에스, 와이, 슈 등의 "주기적 폴리머 마이크로파일러 어레이의 리소그래픽 유도 셀프 어셈블리", J. Vac. Sci. Technol., B, 17(6), 1999; 에스, 와이, 슈 등의 "실리콘 내의 나노구조의 초고속 다이렉트 임프린트", 네이처, 417, 2002; 케이. 에이치. 수 등의 "솔리드 스테이트 초이온(superionic) 스탬프로의 전기화학적 나노임프린팅", 나노레터, 7(2), 2007; 및 더블유. 스리투라바니흐 등의 "플라즈모닉 나노리소그래피", 나노레터, 4(6), 2004에 상세히 설명되어 있다.
제1 전극 층(62b) 및 제2 전극 층(68b)은 대체로 도전성이며, 인듐, 산화 주석, 알루미늄 등을 포함한 재료로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 제1 전극 층(62b)의 적어도 일부는 실질적으로 투명할 수 있다. 또한, 제1 전극 층(62b)은 금속 그리드로 형성될 수 있다. 금속 그리드는 에너지(예컨대, 태양)에 노출되는 태양전지(60b)의 전체 면적을 증가시킬 수 있다. 금속은 케이. 에이치. 휴 등의 "솔리드 스테이트 초이온 스탬프로의 전기화학적 나노임프린팅", 나노레터, 7(2), 2007에 서술된 바와 같은 공정을 사용하여 직접 패턴화될 수 있다.
전자 수용체 층(64b)은 풀러린 유도체 등을 포함하는 N-타입 재료로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 풀러린은 전기-폴리머화를 위한 티오펜과 같은 작용기(functional group)를 부착하도록 유기적으로 변형될 수 있다. 또한, 풀러린은 UV 및/또는 열에 노출될 때 가교될 수 있는 아크릴산염, 메타크릴산염, 티올, 비닐, 및 에폭시를 포함하는 작용기를 부착하도록 변형될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 풀러린 유도체는 소량의 가교성 바인딩 재료를 첨가하여 임프린트될 수 있다.
전자 도너 층(66b)은 폴리티오펜 유도체(예컨대, 폴리 3-헥실티오펜), 폴리페닐렌 비닐렌 유도체(예컨대, MDMO-PPV), 폴리-(티오펜-피롤-티오펜-벤조치아디아졸) 유도체 등을 포함하는 P-타입 재료로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 일반적으로, 이러한 폴리머의 메인 체인 결합된 백본은 변하지 않을 수 있다. 그러나, 사이드 체인 유도체는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 티올, 비닐, 및 에폭시를 포함하는 UV 및/또는 열에 노출될 때 가교 반응을 겪을 수 있는 반응성 작용기를 통합하도록 변할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 케이. 엠. 코클리 등의 "결합된 폴리머 광전지", 화학 재료(Chem. Mater.), ACS Publications, 2004, 16, 4533-4542 페이지를 참조할 수 있다. 카드뮴 셀레나이드 및 카드뮴 텔루라이드를 포함하는 반도체 나노결정, TiO2 코팅을 가지거나 가지지 않은 ZnO 나노와이어 등의 추가는 PV 재료의 효율성을 더 향상시킬 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
풀러린 유도체 및 폴리실리콘은 티. 시모다 등의" 용액-처리된 실리콘 필름 및 트랜지스터", 네이처, 2006, 440, 783-786 페이지에 서술된 잉크젯 기술을 사용하여 증착될 수 있다. 잉크젯 기술을 이용한 증착은 저비용의 비진공 증착을 허용할 수 있다. 실리콘 기반 리소그래피 공정은 희생 레지스트와 함께 프로세싱되고, 반응성 이온 에칭(RIE)이 도핑된 폴리실리콘 타입 재료를 에칭하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 반응성 이온 에칭을 포함한 실리콘 기반 리소그래피 공정은 중간 하드 마스크(예컨대, SiN)를 사용하는 높은 종횡비의 패턴화된 기둥(pillars)의 사용을 가능케 한다.
또한, 광자의 광대역 흡수를 향상시키고, 대략 1-3%의 범위의 효율을 제공하기 위해 염료가 첨가될 수 있다. 엠. 쟈코비의 "태핑 더 썬: 기본 화학이 새로운 저비용 태양전지의 개발을 이끌다" 화학&공학 뉴스, 2007년 8월 27일자, 볼륨 85, 넘버 35, 16-22페이지를 참조할 수 있다.
전자 도너 층(66b)은 두께 tPV를 가질 수 있다. 예를 들어, 전자 도너 층(66b)의 두께 tPV는 대략 100-500nm일 수 있다. 전자 수용체 층(64b)은 길이 p를 가진 하나 이상의 기둥(72)을 가지도록 패턴화될 수 있다. 도 5a는 다수의 기둥(72)을 가진 전자 수용체 층(64b)을 도시한다. 기둥(72)은 정방형, 원형, 직방형, 또는 임의의 다른 형상의 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 6은 정방형을 가진 기둥(72)의 단면도를 도시하고, 도 7은 원형을 가진 기둥(72)의 단면도를 도시한다. 인접한 기둥(72)은 각각 길이 s를 가진 하나 이상의 오목부(74)를 형성할 수 있다.
도 5a 및 6을 참조하면, 전자 도너 층(66b) 내의 체적 감소는 기둥(72)의 길이 p와 오목부(74)의 길이 s의 값의 함수일 수 있다. 예를 들어, 기둥(72)의 길이 p가 오목부(74)의 길이와 실질적으로 동일하다면, 전자 도너 층(66b)의 체적은 전자 도너 층(66b)과 접하는 패턴화된 전자 수용체 층(64b)(즉, 패턴화된 P-N 접합(70a)으로 인해 25% 감소될 수 있다.
하나의 실시예에서, 오목부(74)는 길이 s=2L로 제공될 수 있고, 기둥(72)은 길이 p<2L로 제공될 수 있다. 여기서, L은 전자 도너 층(66b)에서 생성된 전자의 확산 길이이다. 기둥(72)의 길이 p의 감소는 전자 도너 층(66b)의 주어진 두께 tPV에 대하여, 큰 체적의 전자 도너 층(66b)을 제공할 수 있다. 예를 들어, L=10nm이면, s=20nm이고 p<20nm이다. 200nm의 tPV 두께로, 기둥(72)은 20:1 종횡비를 가질 수 있다. 그러나, 20:1 종횡비는 쉽게 제조하기 힘들고, 기계적 안정성으로 인해 비싸질 수 있다.
준최적의 디자인이 구현될 수 있다. 예를 들어, 확산 길이 L이 대략 10nm이면, 기둥(72)의 길이 p는 대략 50nm로 설계되고, 오목부(74)의 길이는 대략 100nm로 설정될 수 있다. 200nm의 tPV 두께에 대하여, 기둥(72)은 대략 4:1 종횡비를 가질 수 있다. 또한, 전자 도너 층(66b)의 손실된 체적은 대략 8.7%일 수 있고, 이는 최적의 디자인에서의 25%와 차별된다.
그러나, 준최적의 디자인은 낮은 캡처 효율을 가질 수 있다. 이와 같이, 준최적 디자인은 전자 도너 층(66b) 내에 블렌드된 PV 재료로 보완될 수 있는데, 이 때 전자 도너 층(66b)은 아이. 구르 등의 "하이퍼브랜치형 반도체 나노결정 기반의 규정된 나노 크기 형태를 가진 하이브리드 태양전지" 나노레터, 2007, 7(2), 409-414 페이지; 및 더블유.유. 후엔 등의 "CdSe 나노결정 로드/폴리(3-헥실리티오펜(hexylithiophene)) 합성 광전지 디바이스", Adv. Mater., 1999, 11(11), 923-927 페이지에 서술된 무기 나노-로드(rod)와 함께 혼합된 공액 폴리머를 포함할 수 있다. 예시적인 블렌드된 재료는 5nm 직경의 CdSe 나노결정과 Meh-PPv 폴리의 혼합물(2-메톡시-5-(2'-에틸-헥실록시)-p-페닐렌비닐렌), 및 8×13nm 길이의 CdSe 나노 결정 및 레지-레귤러(regi-regular) 폴리(3-헥실리티오펜)(P3HT)를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 이러한 블렌딩된 재료는 앞서 언급된 P-N 접합(70a)의 최적의 기하학적 구조로부터의 일탈(departure)로 인해 손실된 여기 캡쳐 가능성을 실질적으로 극복할 수 있다.
ZnO
패턴화된 도트(
dot
)
ZnO는 ZnO 나노 입자가 아니라 도트를 사용하여 패턴화될 수 있다. 패턴화는 코클리의 "결합된 폴리머 광전지", 화학 재료(Chem. Mater.), ACS Publications, 2004, 16, 4533-4542 페이지에 상세히 설명된 ZnO 나노입자와 비교되는 설치 및 균일성을 향상할 수 있다. 예를 들어, 패턴화는 주(zhu)의 "r-사파이어 기판 상의 ZnO 및 MgxZn1 - xO 필름의 SiCl4-기반의 반응성 이온 에칭", J. of Electronic Mater., 2006, 35:4에 상세히 설명된 반응성 이온 에칭에 의해 제공될 수 있다. 반응성 이온 에칭을 사용하는 패턴화는 크기 제어와 더불어 실질적으로 정밀한 설치를 위해 제공될 수 있다.
3차원 패턴화
도 8a 및 8b는 태퍼형 구조(76) 및 다단형(multi-tiered) 구조(78)를 가진 예시적인 태양전지 디자인(60d, 및 60e)을 도시한다. 태퍼형 구조(76) 및 다단형 구조(78)는 높은 종횡비 구조의 기계적 안정성을 증가시킬 수 있다. 이러한 구조는 최대 여기 캡처에 관하여 준최적화되지만, (본 명세서에 서술된) 브렌드된 재료와 결합하여 사용될 때, 두꺼운 PV 필름을 가진 더 높은 효율의 태양전지(60)를 야기할 수 있다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 태퍼형 구조(76)의 디자인은 실질적으로 원뿔형일 수 있다. 일반적으로, 태양 광자의 반사는 가파른 각도의 입사에서 증가될 수 있다. 이는 광자가 전자 도너 층(66d)을 통과하는 더 긴 경로를 가지게 하여, 광자가 흡수될 가능성을 증가시킨다.
또한, 공기 인터페이스에서의 재료는 전자 도너 층(66b)을 통해 광자를 순환시키는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 앞서 언급한 바와 같이, 공기 인터페이스에서의 재료는 풀러린 유도체, ITO, 결합된 폴리머, 및 TiO2를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 각각의 이들 재료는 대략 1.5(예컨대, 폴리머)에서 대략 2초과(예컨대, 풀러린) 까지의 범위의 높은 굴절률을 가진다. 이와 같이, 임계 각을 초과하게 기울어져 에어 인터페이스에 접근하는 광은 내부적으로 반사될 수 있다. 제1 전극 층(62d)가 금속 접촉 그리드라면, 이는 전자 도너 층(66d)을 통해 다시 광자를 순환시키는데 도움을 줄 수 있다.
듀얼
패턴화
도 9a 및 9b는 복수의 전자 수용체 층(64e 및 64f)을 가진 태양전지 디자인(60e)을 도시한다. 각각의 전자 수용체 층(64e 및 64f)은 기둥(72)을 포함할 수 있다. 기둥(72)은 전자 도너 층(66e)으로 돌출되어, 전자 도너 층(66e)과 전자 수용체 층(64e 및 64f) 사이에 복수의 패턴화된 p-n 접합(70a)을 형성할 수 있다. 전자 수용체 층(64e 및 64f)은 패드(80)에 의해 연결될 수 있다. 패드(80)는 N-타입 재료로 형성될 수 있다. 또한, 패드(80)는 전자 수용체 층(64e 및/또는 64f)과 유사한 재료로 형성될 수 있다.
제1 전극 층(62e)은 전자 도너 층(66e)과 인접할 수 있다. 제1 전극 층(62e)은 또한 전자 수용체 층(64e 및/또는 64f)으로부터 격리될 수도 있다.
태양전지 디자인(60e)은 듀얼 패턴화 단계를 사용하여 패턴화될 수 있다. 듀얼 패턴화 단계는 패턴화된 p-n 접합(70a)의 면적과 전자 도너 층(66e)의 두께 tPV의 명목상 두배일 수 있다. 임프린팅을 사용하여, 얇은 PV 재료 필름(예컨대, <10nm)이 남을 수 있고, 전자 수용체 층(64e)의 아래놓인 기둥(72)과 패드(80) 사이에 직접적인 접촉을 방지할 수 있다. 얇은 PV 재료 필름은 전자 수용체 층(64e 및 64f 사이에 도전성을 제공하기 위해 더 감소(예컨대, <5nm)될 수도 있다.
복수 층을 사용한 태양전지 형성
도 10-16은 N-타입 재료 및 P-타입 재료의 복수의 층을 사용하는 태양전지(60g)의 예시적인 형성의 간단한 측면도를 도시한다. N-타입 재료 및 P-타입 재료의 복수의 층을 제공함에 있어서, 상이한 층이 유사한 재료로 형성될 수도 있고, 그리고/또는 상이한 재료로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 주지된 바와 같이, P-타입 재료의 흡수 범위는 태양 스펙트럼에 걸쳐 다양할 수 있다. 이와 같이, 상이한 P-타입 재료로 형성된 층을 사용함으로써, 태양전지(60g)는 태양 스펙트럼에 걸쳐 더 넓은 범위의 흡수율을 제공할 수 있을 것이다. 예를 들어, 전자 도너 층(66e)은 대략 300-600λ/nm 사이의 흡수 범위를 가진 P3HT를 포함하는 재료로 형성될 수 있다. 태양 스펙트럼에 걸쳐 더 넓은 범위의 흡수를 제공하기 위해, 전자 도너 층(66h)은 대략 600-700λ/nm 사이의 흡수 범위를 가진 MDMO-PPV를 포함하는 재료로 형성될 수 있고, 그 결과, 태양 전지(60g)는 대략 300-700λ/nm의 흡수 범위를 제공할 수 있다.
도 10을 참조하면, 전자 수용체 층(64g)은 제1 전극 층(62g) 위에 형성될 수 있다. 전자 수용체 층(64g)은 임프린트 리소그래피, (G 라인, I 라인, 248nm, 193nm, 157nm, 및 13.2-13.4nm를 포함하는 다양한 파장의) 포토리소그래피, 간섭(interferometric) 리소그래피, 접촉 리소그래피, e-빔 리소그래피, x-선 리소그래피, 이온-빔 리소그래피 및 원자 빔 리소그래피를 포함하는 기술에 의해 형성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 전자 수용체 층(64g)은 본 명세서, 미국특허번호 제6,932,934호, 미국특허 공개번호 제2004/0124556호, 미국특허 공개번호 제2004/0188381호, 및 미국특허 공게번호 제2004/0211722호에 개시된 임프린트 리소그래피를 사용하여 형성될 수 있다. 전자 수용체 층(64g)은 기둥(72g) 및 잔여층(82g)을 제공하기 위해 템플릿(18a)에 의해 패턴화될 수 있다. 기둥(72g)은 나노미터 크기일 수 있다. 기둥(72g) 사이의 오목부(74g)는 확산 길이 L(예컨대, 5-10nm) 정도일 수 있다.
도 11을 참조하면, 전자 도너 층(66g)은 전자 수용체 층(64g)의 기둥(72g) 위에 위치될 수 있다. 이것은 스핀-온 기술, 접촉 평탄화 등을 포함한 방법에 의해 달성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
도 12를 참조하면, 블랭킷 에칭이 전자 도너 층(66g) 부분을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 블랭킷 에칭은 습식 에칭 또는 건식 에칭일 수 있다. 다른 실시예에서, 화학적 기계적 연마(polishing)/평탄화가 전자 도너 층(66g) 부분을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 전자 도너 층(66g) 부분의 제거는 왕관형 표면(86a)을 제공할 수 있다. 왕관형 표면(86a)은 일반적으로 각각의 기둥(72g)의 적어도 일부분의 표면(88), 및 전자 도너 층(66g)의 적어도 일부분의 표면(90)을 포함할 수 있다.
도 13을 참조하면, 제2 전자 수용체 층(64h)이 제공될 수 있다. 제2 전자 수용체 층(64h)은 기둥(72h) 및 잔여층(82h)을 가지고 오목부(74h)를 형성하도록 패턴화될 수 있다. 기둥(72h) 및 오목부(74h)는 상기 서술된 확산 길이 L, 5-10nm 정도일 수 있다.
제2 전자 수용체 층(64h)은 상기 서술된 바와 같이, 임프린트 리소그래피 또는 다른 방법을 사용하여 템플릿(18b)에 의해 형성될 수 있다. 템플릿(18b)은 패턴화 영역(95) 및 오목 영역(93)을 가질 수 있는데, 패턴화 영역(95)은 오목 영역(93)을 둘러싸고 있다. 템플릿(18b)의 오목 영역(93)의 결과로서, 제2 전자 수용체 층(64h)은 불연속적일 수 있다. 예를 들어, 제2 전자 수용체 층(64h)은 미국특허 공개번호 제2005/0061773호에 상세히 개시된 바와 같이, 제2 전자 수용체 층(64h), 템플릿(18b), 및/또는 전자 수용체 층(64g)의 임의의 재료 사이의 모세관 힘으로 인해 오목 영역(93)과 중첩되지 않을 수 있다. 일반적으로, 제2 전자 수용체 층(64h)의 불연속 부분은 N-타입 재료의 매트릭스의 부재로 인해 전자 캡처의 손실을 야기할 수 있다. 전자 수용체 층(64g)은 또한 설계 고려사항에 따라 불연속적으로 형성될 수 있다.
도 14를 참조하면 제2 전자 도너 층(66h)이 기둥(72h) 위에 놓여될 수 있다. 제2 전자 도너 층(66h)은 제1 전자 도너 층(66g)에 관하여 상기 언급된 임의의 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
도 15를 참조하면, 왕관형 표면(86b)을 제공하기 위해 제2 전자 도너 층(66h) 부분을 제거하기 위해 블랭킷 에칭이 사용될 수 있다. 왕관형 표면(86b)은 각각의 기둥(72h)의 적어도 일부분의 표면(88b)과 제2 전자 도너 층(66h)의 적어도 일부분의 표면(88b)에 의해 형성된다. 브랭킷 에칭은 습식 에칭 또는 건식 에칭일 수 있다. 다른 실시예에서, 화학적 기계적 연마/평탄화가 왕관형 표면(86b)을 제공하기 위해 제2 전자 도너 층(66h)의 적어도 일부를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 제2 전자 수용체 층(64h) 및 전자 수용체 층(64g)은 전극 층(62g)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 전자 도너 층(66h)은 전자 도너 층(66g)과 전기적으로 연결될 수 있고, 둘 모두 전극(96)과 전기적으로 연결될 수 있다.
태양전지(60g)는 추가적인 전자 도너 층 및 전자 수용체 층을 형성하기 위해 실질적으로 상기 서술된 동일한 프로세스를 겪을 수 있다. 예를 들어, 도 16에서, 3개의 전자 수용체 층(64g-i) 및 3개의 전자 도너 층(66g-i)이 도시되어 있으나, 임의의 개수의 층이 설계 고려사항에 따라 형성될 수 있음을 당업자들은 이해해야 한다.
도 17-21은 복수의 층을 사용한 다른 태양전지(60j)의 예시적인 형성의 간단한 측면도를 도시한다.
도 17을 참조하면, 전자 수용체 층(64j)은 전극 층(62j)위에 패턴화될 수 있다. 전자 수용체 층(64j)은 기둥(72j) 및 잔여층(82j)을 포함할 수 있다. 기둥(72j) 및 잔여층(82j)은 오목부(74j)를 형성할 수 있다. 오목부(74j)의 길이는 앞서 상세히 설명한 바와 같이 확산 길이 L, 5-10nm 정도일 수 있다. 전자 수용체 층(64j)은 도 10-16에 관하여 앞서 상세히 설명한 전자 수용체 층(64g)과 실질적으로 동일할 수 있고, 실질적으로 동일한 방식으로 형성될 수 있다.
도 18을 참조하면, 전자 도너 층(66j)이 화학적 증기 증착(CVD), 물리적 증기 증착(PVD), 스핀 코팅, 및 방울 분사 기술을 포함하는 기술에 의해 전자 수용체 층(64j)의 적어도 일부분 위에 놓여질 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 전자 도너 층(66j)은 패턴화 영역(93) 및 오목 영역(95)을 가진 템플릿(18c)에 의해 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 템플릿(18c)의 오목 영역(95)은 마이크로미터 크기일 수 있다. 임프린팅 동안, 템플릿(18c)의 패턴화 영역(93) 및 오목 영역(95)은 전자 도너 층(66j), 템플릿(18c), 전극 층(62j), 및/또는 전자 수용체 층(64j) 사이의 앞서 언급한 모세관 힘으로부터, 전자 도너 층(66j)의 제1 영역(83) 및 제2 영역(85)을 형성할 수 있다. 이와 같이, 기둥(72j)의 표면(79) 중 적어도 일부가 노출될 수 있고, 채워지지 않는 영역(77)을 형성한다.
도 19를 참조하면, 제2 전자 수용체 층(64k)이 전자 도너 층(66j) 위에 놓여질 수 있다. 제2 전자 수용체 층(64k)은 기둥(72k) 및 잔여층(82k)을 가지도록 패턴화될 수 있다. 제2 전자 수용체 층(64k)은 앞서 설명한 전자 수용체 층(64j)과 실질적으로 동일할 수 있고, 실질적으로 동일한 방식으로 형성될 수 있다.
제2 전자 수용체 층(64k)의 잔여층(82k)과 전자 수용체 층(64j)의 잔여층(82j) 사이의 공간은 확산 길이 L, 5-10nm 정도일 수 있다. 또한, 제2 전자 수용체 층(64k)은 채워지지 않는 영역(77) 내에 위치할 수 있다. 결과적으로, 제2 전자 수용체 층(64k)은 전자 층(64j)에 연결될 수 있고, 이 둘 모두 전극 층(62j)과 전기적으로 연결된다.
도 20을 참조하면, 제2 전자 도너 층(66k)은 기둥(72k) 위에 놓여질 수 있다. 제2 전자 도너 층(66k)은 앞서 상세히 설명한 전자 도너 층(66j)와 유사할 수 있고, 실질적으로 동일한 방식으로 형성될 수 있다. 또한, 제2 전자 도너 층(66k)은 전자 도너 층(66j)과 전기적으로 연결될 수 있고, 이둘 모두 전극(96b)과 전기적으로 연결된다.
태양전지(60j)는 추가적인 전자 도너 층 및 전자 수용체 층을 형성하기 위해 앞서 설명한 것과 실질적으로 동일한 프로세스를 겪을 수 있다. 예를 들어, 도 21에서, 3개의 전자 수용체 층(64j-l) 및 3개의 전자 도너 층(66j-l)이 도시되어 있으나, 임의의 개수의 층이 설계 고려사항에 따라 형성될 수 있음을 당업자들은 이해해야 한다.
능동 재료의
등각
(
conformal
) 박막 코팅이 뒤따르는 패턴화를 사용한 태양전지 다자인
도 22-25는 다층 기판(100)으로부터의 예시적인 전자 수용체 층(64m)의 간단한 측면도를 도시한다. 일반적으로, 다층 기판(100)은 기판 층(100), 전극 층(106), 및 접착제 층(108)으로 이루어질 수 있다. 패턴화 층(46a)은 주 오목부(24a) 및 부 오목부(24b)를 가진 템플릿(18d)에 의해 형성될 수 있다. 주 오목부(24a)는 돌출부(50a) 및 오목부(52b)를 포함하는 피처를 가진 패턴화 층(46a)을 제공하는 것을 돕는다. 부 오목부(24b)는 하나 이상의 갭(102)을 가진 전자 수용체 층(64m)을 제공하는 것을 돕는다. 등각 코팅(110)은 패턴화 층(46a) 위에 증착될 수 있고, 갭(102)은 등각 코팅(110)과 전극 층(106) 사이에 전하 전달을 용이하게 하기 위해 분산될 수 있다.
도 22에 도시된 바와 같이, 다층 기판(100)은 기판 층(104), 전극 층(106) 및 접착제 층(108)으로 이루어질 수 있다. 기판 층(104)은 플라스틱, 퓨징된 실리카, 석영, 실리콘, 유기 폴리머, 실록산 폴리머, 붕규산 유리, 플루오로카본 폴리머, 금속, 강화 사파이어 등을 포함하는 재료로 형성될 수 있으나, 이제 제한되지는 않는다. 기판 층(104)은 두께 t3를 가질 수 있다. 예를 들어, 기판 층(104)은 대략 10μm 내지 10mm의 두께 t3를 가질 수 있다.
전극 층(106)은 알루미늄, 인듐 주석 산화물 등을 포함하는 재료로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 전극 층(106)은 두께 t4를 가질 수 있다. 예를 들어, 전극 층(106)은 대략 1 내지 100μm의 두께 t4를 가질 수 있다.
접착제 층(108)은 미국특허 공개 번호 제2007/0212494호에 상세히 설명된 접착 재료로 형성될 수 있다. 접착제 층(108)은 두께 t5를 가질 수 있다. 예를 들어, 접착제 층(108)은 대략 1-10nm의 두께 t5를 가질 수 있다.
도 23에 도시된 바와 같이, 패턴화 층(46a)은 다층 기판(100) 및 템플릿(18d)의 표면(44a)의 형상에 따라 포머블 N-타입 재료의 고체화 및/또는 가교에 의해 템플릿(18d)과 다층 기판(100) 사이에 형성될 수 있다. 패턴화 층(46a)은 잔여층(48a), 및 돌출부(50a) 및 오목부(52a)로 도시된 피처를 포함할 수 있다. 돌출부(50a)는 두께 t6를 가질 수 있고, 잔여층은 두께 t7을 가질 수 있다. 잔여층은 대략 10nm-500nm의 두께 t7을 가질 수 있다. 돌출부(50a)의 간격 및 높이는 기둥(72)을 형성하기 위한 최적의 디자인 및/또는 준최적의 디자인을 기초로 할 수 있다. 예를 들어, 돌출부(50)의 두께 t6는 50-500 나노미터 크기일 수 있고, 돌출부(50a)의 간격은 확산 길이 L(예컨대, 5-50nm) 정도일 수 있다.
또한, 패턴화 층(46a)은 하나 이상의 갭(102)을 가질 수 있다. 갭(102)의 크기 및 갭(102)의 개수는 갭(102)이 다층 기판(100)의 전체 면적의 1-10% 이상 소비하지 않도록 한다. 도 24에 도시된 바와 같이, 갭(102) 내의 접착제 층(108)은 산화 단계에 의해 제거될 수 있다. 예를 들어, 갭(102) 내의 접착제 층(108)은 패턴화 층(46a)의 형상 및 크기에 실질적인 영향을 주지 않고, 산화 단계에 의해 제거될 수 있다. (예컨대, UV 오존 또는 다른 플라즈마 공정, 또는 황산과 같은 습식 산화 프로세스에 짧은 노출).
도 25에 도시된 바와 같이, 등각 코팅(110)은 기둥(72)을 가진 전자 수용체 층(64m)을 형성하기 위해 패턴화 층(46a) 및 갭(102) 위에 증착될 수 있다. 등각 코팅(110)은 본 명세서에 서술된 N-타입 재료로 형성될 수 있다. 이러한 N-타입 재료(예컨대, 풀러린 C60)는 2차 제한(sublimation)에 의해 증착된 증기일 수 있다. 예를 들어, 이러한 N-타입 재료는 C60 파우더를 사용하여 10-6토르의 상온의 진공 챔버 내에서 물리적 진공 증착에 의해 증착될 수 있다. 다른 예에서, 이러한 N-타입 재료(예컨대, 풀러린)는 상업적으로 사용가능한 풀러린 파우더로 로딩된 e-빔 증발기로 증착될 수 있다.
등각 코팅(110)은 두께 t8을 가질 수 있다. 예를 들어, 등각 코팅(110)은 대략 1-10nm의 두께 t8을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 등각 코팅(110)은 갭(102)을 경유하여 전극 층(104)과 직접적으로 연결될 수 있다.
N-타입 코팅은 그 후 P-타입 재료로 잉크 젯을 사용하여 더 코팅되거나 증착될 수 있음을 이해해야 한다. P-타입 재료는 앞서 서술된 바와 같이, 폴리티오펜 유도체, 폴리페닐렌 비닐렌 유도체, 폴리-(티오펜-피롤-티오펜-벤조치아디아졸) 유도체 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 이것은 상부 컨덕터의 제조가 후속할 수 있고, 이는 도 5b와 유사한 태양전지를 야기한다.
갭(102)간 거리 및 갭(102)의 크기는 (앞서 언급한) 디바이스 면적 손실을 최소화함은 물론, 경합하는 요구사항: 하부 전극으로 전하를 띤 입자가 이동하는 거리의 최소화를 다루도록 선택될 수 있는데, 이때 전하를 띤 입자는 패턴화된 P-N 접합에서 여기의 고립에 의해 생성된다.
Claims (23)
- 서브-100 나노미터 분해능을 가진 제1 템플릿과 제1 전극 층 사이에 포머블(formable) N-타입 재료를 패턴화하고 N-타입 재료를 고체화함으로써 형성되고, 복수의 기둥 (pillar) 및 복수의 오목부를 구비한 제1 전자 수용체 층; 및
제1 전자 수용체 층의 적어도 일부분 위에 증착된 제1 전자 도너 층;을 포함하고,
상기 제1 전자 도너 층과 상기 제1 전자 수용체 층은 적어도 하나의 패턴화된 p-n 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제 1 항에 있어서, 제1 전자 수용체의 적어도 하나의 기둥은 태퍼(taper)형인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 2 항에 있어서, 태퍼형 기둥은 대체로 원뿔형인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 제1 전자 수용체 층의 적어도 하나의 기둥은 적어도 2개의 단(tier)으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 제1 전자 도너 층에 형성된 제2 전극 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 5 항에 있어서, 제2 전극 층은 금속 그리드인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 제2 템플릿과 제1 전자 도너 층 사이에 포머블 N-타입 재료를 패턴화하고 N-타입 재료를 고체화함으로써 형성되고, 복수의 기둥 및 복수의 오목부를 가진 제2 전자 수용체 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 7 항에 있어서, 제1 전자 수용체 층과 제2 전자 수용체 층을 연결하는 N-타입 재료로 형성된 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 8 항에 있어서, 패드와 제1 전자 수용층 사이에 위치된 광전지 재료 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 9 항에 있어서, 패드와 제2 전자 수용체 층 사이에 위치된 광전지 재료 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 7 항에 있어서, 제1 전자 도너 층 및 제2 전자 도너 층은 제1 전극 층과 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 7 항에 있어서, 제2 전자 수용체 층 위에 증착된 제2 전자 도너 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 12 항에 있어서, 제1 전자 도너 층은 제1 흡수 범위를 가진 재료로 형성되고, 제2 전자 도너 층은 상기 제1 흡수 범위와 상이한 제2 흡수 범위를 가지는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 제1 전자 수용체 층은 불연속적이고, 적어도 하나의 갭을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 14 항에 있어서, 제1 전자 수용체 층은 제1 전극 층과 전기적으로 연결되도록 갭 위에 증착된 등각(conformal) 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 기둥은 여기 확산 길이의 대략 2배보다 짧은 길이만큼 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 기둥은 여기 확산 길이보다 짧은 길이만큼 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 오목부는 기둥 사이에 순차적으로 산재(intersperse)되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 18 항에 있어서, 제1 전자 도너 층은 제1 전자 수용체 층의 오목부 내에 증착되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 전자 도너 층;
확산 길이 L을 가진 여기 확산을 위한 패턴화된 p-n 접합을 형성하는, 상기 전자 도너 층과 인접한 전자 수용체 층;을 구비하고,
상기 전자 수용체 층은
적어도 하나의 기둥이 대략 2L보다 짧은 길이만큼 형성되어 있는 복수의 기둥; 및
적어도 하나의 오목부가 대략 2L의 길이만큼 형성되어 있는 복수의 오목부를 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1 전극 층;
제1 전자 수용체 층;
제1 전자 수용체 층 위에, 그리고 제1 전자 수용체 층 내에 형성된 오목부 내에, 제1 전자 도너 층과 제1 전자 수용체 층 사이에 패턴화된 p-n 접합을 형성하도록 증착된 제1 전자 도너 층; 및
제1 전자 도너 층 상에 증착된 제2 전자 도너 층;을 포함하고,
상기 제1 전자 수용체 층은
제1 템플릿과 제1 전극 층 사이에 포머블(formable) N-타입 재료를 패턴화하고 N-타입 재료를 고체화함으로써, 형성된 적어도 하나의 불연속 갭을 가지고, 복수의 기둥 사이에 순차적으로 산재(intersperse)된 복수의 오목부를 가지는 다층 기판; 및
제1 전극 층과 전기적으로 연결되도록 다층 기판 위에 증착된 등각(conformal) 코팅;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 상호연결된 N-타입과 P-타입 재료 사이에 전기적 연결을 제공하는 다층 구조로서,
제1 전극 층;
포머블(formable) N-타입 재료로 형성된 복수의 전자 수용체 층;
각각의 전자 도너 층이 태양 스펙트럼 내에 흡수 범위를 가지고, 상기 전자 수용체 층 사이에 순차적으로 산재(intersperse)된 복수의 전자 도너 층; 및
상기 전자 도너 층 중 적어도 하나와 인접하게 위치된 제2 전극 층;을 포함하고,
상기 전자 수용체 층 중 적어도 하나는 서브-100 나노미터 분해능을 가진 제1 템플릿과 상기 제1 전극 층 사이에 포머블 N-타입 재료를 패턴화하고 N-타입 재료를 고체화함으로써 형성되고, 상기 전자 수용체 층은 복수의 기둥 및 복수의 오목부를 가지는 것을 특징으로 하는 상호연결된 N-타입과 P-타입 재료 사이에 전기적 연결을 제공하는 다층 구조. - 제 20 항에 있어서, 적어도 2개의 전자 도너 층은 상기 태양 스펙트럼 내에서 상이한 흡수 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
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