TW200810136A - Photovoltaic device with nanostructured layers - Google Patents

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TW200810136A
TW200810136A TW096105278A TW96105278A TW200810136A TW 200810136 A TW200810136 A TW 200810136A TW 096105278 A TW096105278 A TW 096105278A TW 96105278 A TW96105278 A TW 96105278A TW 200810136 A TW200810136 A TW 200810136A
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TW
Taiwan
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layer
photovoltaic device
nanoparticles
layers
nanoparticle
Prior art date
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TW096105278A
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Damoder Reddy
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Solexant Corp
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Description

200810136 (1) 九、發明說明 相關申請案 本專利案請求2 0 0 6年，2月1 3日申請的美國臨時專 ， 利申請案序號60/772,548，發明名稱「整個吸收IR及 ^ 的奈米粒子層的太陽能_.電池」及2006年，5月2日申請 的美國臨時專利申請案序號60/796,820，發明名稱「奈米 複合材料太陽能電池」的益處及優先權，在此以引用其全 φ 文方式將該二者的揭示內容倂入本文。 【發明所屬之技術領域】 一般而言，本發明係有關光電伏打裝置或太陽能電池 的領域。更特別的是，本發明係有關具有奈米結構層的光 電伏打裝置。 【先前技術】 φ 漸增的油價提高了開發有成本效益的可再生能源的重 要性。現在全世界明顯致力於開發有成本效益的太陽能電 池以獲得太陽能。當今的太陽能技術可廣義地歸類成結晶 砂及薄膜技術。多於90%的太陽能電池係由矽-單晶矽、 多晶砂或非晶砂構成。 歷史上’結晶矽（c-Si )已被作爲大部分太陽能電池 當中的光吸收半導體，儘管其係光的較差吸收體且需要可 觀的厚度（數百微米）的材料。儘管如此，據證實因爲其 可產生具有良好效率（12至20%，理論最大値的一半至 200810136 (2) 三分之二）的穩定太陽能電池且使用自微電子產業知識基 礎發展出來的處理技術，所以係便利的。 在此產業中使用兩類的結晶矽。第一種爲單晶，經由 將來自高純度單晶晶棒的晶圓（約150mm直徑及3 50微 ’ 米厚）切曹而製成。第二1Γ爲多晶矽，先將矽鑄塊切成棒 然後晶圓而製成。結晶性矽電池製造的趨勢朝向多晶技術 〇 • 就單-及多晶矽而言，半導體p-n接面係經由使磷（ η-型摻雜劑）擴散至摻硼（p-型）矽晶圓的頂表面。在該 電池的正面及背面施加網版印刷接觸，利用特別設計的正 面接觸圖案使該電池中有最大的矽材料曝光量及最小的電 力（阻抗）損失。 矽太陽能電池非常昂貴。製造技術已成熟但是未能明 顯降低成本。矽並非用於太陽能電池的理想材料，因爲其 主要吸收第1圖例示的太陽光譜的可見光區。如第2圖所 • 示有相當大量的太陽輻射包含IR光子。矽太陽能電池無 法獲得這些IR光子，所以限制了其轉化效率。 第二代太陽能電池技術以薄膜爲基準。兩種主要薄膜 技術爲第3圖所示的非晶矽及二硒化銅銦鎵（ciGS )。 在1 980年代將非晶矽（a-Si)視爲「唯一的」薄膜 PV材料。但是在那十年的末期及199〇年代早期，由於其 低效率及不穩定度而受到許多觀察者排拒。然而，針對這 些問題非晶矽技術在尋求非常成熟解決方法的方面已經有 很好的進展：即，多接面結構。現在，工業用的多接面a_ -5- 200810136 (3)
Si模組能達到 7%至9%的效率範圍。United Solar and
Kaneka已經建造25 MW的設備且許多公司宣布要在日本 及德國建造製造工廠。 a-Si技術的重要障礙爲低效率（約10%穩定）、光感 應效率降低（那需要例如多接觸等更複雜的電池設計）及 加工成本（製造方法以真空爲基礎且相當慢）。所有這些 議題對於製造有成本效益的a-Si模組的可能性都很重要 〇 非晶矽太陽能電池也具有不良的IR吸收且無法獲得 太陽光譜的IR光子的能量。微晶矽將吸收延伸至更長波 長但也於IR區的吸收仍然不良。爲了提高非晶矽太陽能 電池的IR獲得己採行不同的反射器設計。這些反射器增 加相當多成本但是提供有限的益處，因爲彼等不能將非晶 矽的IR吸收延伸超越1，〇〇〇 nm。若吸收IR的層可發展成 能符合成本效益地合倂非晶及微晶矽太陽能電池就能達到 明顯的效能改善。 由二硒化銅銦鎵（CIGS )吸收體製成的薄膜太陽能 電池顯示達到1 0至1 2%高轉化效率的可能性。與例如碲 化鎘（C d Te )或非晶砂（a- S i )等其他薄膜技術所達到的 效率相比’ CIGS的記錄高效率（19.2% NREL )爲目前爲 止最局的。 這些破記錄的小面積裝置使用真空蒸發技術製成，其 係資本密集且非常昂貴。在大面積基材上製造均勻組成的 CIG S膜極具挑戰性。此限制也會影響製程產量，彼等通 200810136 (4) 常非常低。由於這些限制，製造技術的實施尙未成功用於 t ^貞H '低成本的薄膜太陽能電池及模組的工業製造且無 法與當今的結晶矽太陽能電池競爭。 爲了克服使用昂貴真空設備的物理蒸氣沈積技術的限 制’有數家公可已經開發出用於CIGS太陽能電池製造的 高產量真空製程（例如：DayStar、Global Solar)及及非 真空製程（例如：ISET、Nano solar )。使用油墨技術， φ 可以較低的資本設備成本。合倂效爲爲薄膜太陽能裝置的 低成本製程。CIGS可做在軟性基材上使其能降低太陽能 電池的重量。CIGS太陽能電池的成本預期低於結晶矽使 其即使在較低效率下仍具有競爭性。CIGS太陽能電池的 主要問題爲：（1 )沒有清楚的途徑能達到較高的效率及 (2)高加工溫度使其難以使用高速輥來輥軋加工且因而 彼等不能達到非晶矽太陽能電池所能達之明顯較低的成本 結構。 φ CIGS太陽能電池也具有不良的IR吸收，因而無法吸 收或獲得太陽光譜的IR光子的能量。若IR吸收層可發展 成能符合成本效益地合倂CIGS太陽能電池就能達到明顯 的效能改善。 當下可取得的技術有明顯的問題。舉例來說，現今具 有>9 0%市佔率的結晶矽太陽能電池非常貴。與石化燃料 的<10美分/kwh相比，利用c-矽太陽能電池的太陽能費 用約25美分/kwh。此外，建造太陽能板的資金成本非常 高，限制其採用率。結晶性太陽能電池已經成熟且在不久 -7- 200810136 (5) 的未來可能還無法改善效能或成本競爭力。非晶矽薄膜技 術能接受大量製造，那可能導致低成本太陽能電池。然而 ，非晶及微晶矽太陽能電池僅吸收可見光區且無法獲得 IR區的任何光子。 先前技藝中有1午多例子將此吸收IR的薄膜層與政層 合倂以提高太陽能電池轉化率。用於此文獻中的吸收IR 的薄膜層係經由昂貴的真空沈積法來沈積。文獻中的例子 φ 包括多接面電池及串疊型電池（tandem cell )。文獻中的 例子包括（1 )由兩個獨立電池形成的四端裝置及（2 )經 由倂入隧道接面所製成的兩個末端裝置。所有這些文獻中 已知的例子要製造都很昂貴，限制了其商業應用。 國際可再生能源實際室（NREL)已經在2001年以達 到高效率爲主要目標開始進行高效率串疊型太陽能電池計 畫。例如SiGe、PbSe、PbS及III-V材料等許多半導體材 料可吸收IR區且可用於獲得IR光子。NREL的硏究員證 φ 實寬帶多接面太陽能電池可經由堆疊具有不同波長範圍吸 收的電池而製備。串疊型太陽能電池使用於單一電池中呈 串聯的具有不同能帶間隙之多種材料。組合串疊型太陽能 電池已經進行相當長的過程卻仍有許多限制。這些串疊型 電池似乎還未曾達到商業應用的成本競爭力。這些多接面 串疊型電池非常的複雜而難以設計（由於電池平衡的要求 )且傾向非常昂貴。因而這些串疊型電池僅限用在成本並 非重要驅動因子的防禦設施、太空及地面應用方面。然而 ’此等設計似乎不曾經濟到足以用於商業太陽能電池應用 -8- 200810136 ⑹ 下一代太陽能電池設計必需真正達到高效率及質輕與 低成本。兩個有可能的候選方案爲（1 )聚合物太陽能電 池及（2 )奈米粒子太陽能電池。聚合物太陽能電池由於 在中等溫度（<150C )下一捲接一捲加工証裏有低成本的 潛力。然而，聚合物會遇到兩種主要的缺點：（1 )由於 緩慢的電荷傳輸的不良效率及（2 )不良穩定度-尤其是對 UV。因而聚合物太陽能電池似乎不能達到所要求的性能 而無法變成下一代太陽能電池。 有許多硏究團體已經針對量子點爲主的太陽能電池進 行實驗硏究。據數據報導的最佳效率有到<5%。這些奈米 粒子太陽能電池低效率的主要原因爲下列造成的電荷再結 合（1)奈米粒子上的表面電荷及（2)聚合物主質中的不 良電荷傳輸。所以必須發展出新穎的合成方法以製備量子 點而沒有表面電荷效應。已經有人建議靠具有大縱長比的 電荷傳輸量子棒來降低聚合物主質的影響。從加州博克萊 大學的硏究員顯示可經由使用具有>10:1縱長比的量子棒 達到較佳的效率。 多倫多大學及布法羅大學已經刊載吸收IR的奈米粒 子°多倫多大學的泰德薩爾金特團隊經由使硫化鉛半導性 奈米晶體，測得直徑4奈米（nm )，懸在半導性塑膠中 (天然材料2005，4，1 3 8- 1 42 )而製成以溶液處理爲底的 H夕U泉光電伏打裝置。Pbs的4-nm球比激發的電子軌域 半倥小。此所謂量子侷限（q u a n t u m c ο n f i n e m e n t )的效應 ♦200810136 (7) 爲量子點開始吸收能量的光波長正好與該晶體的尺寸有關 。這意指經由改變奈米晶體的尺寸’塑膠太陽能電池可轉 變成任何預期的波長，從IR至可見光光譜。經由控制太 陽能電池的奈米晶體尺寸會使太陽能電池變成吸收980、 1 200及1 3 5 5 nm波長的IR光並將其轉變成電流。IR光電 伏打裝置具有較大的潛力，因爲曰光中有一半的能量在 IR，介於700 nm至2微米之間的波長。薩爾金特的第一 φ 個IR系統具有聽起來很糟的功率轉化效率〇 . 〇〇 1 %。 布法羅大學（UB )的百樂斯普塞德團隊開發出由磷 化銦（InP )奈米晶體構成的有效吸收IR的量子點光電伏 打裝置。InP量子點證實與其他量子點相比擬的發光效率 ，但是彼等-也發射該光譜紅色區中較長波長的光。這是重 要的優點，因爲紅光放射意指這些量子點能獲得IR區的 光子。由硒化鎘組成的量子點大部分放射較低可見光波長 區。矽太陽能電池主要作用在綠色區，因此僅捕捉一部分 φ 可得到的光能。對照之下，硒化鉛量子點可吸收紅外線， 所以能開發出比現在矽太陽能電池更能分多次將更多光有 效轉變成可用能量的光電伏打電池。UB團隊證實InP量 子點有3 %量子效率。論文中有描敘他們的硏究「使用量 子點··聚合物奈米複合材料而在紅外線波長有效率的光導 裝置」，2 0 0 5年，8月1 1日線上發表於應用物理文學中 〇 因此，仍有許多挑戰且對於未來的發展有相當多要求 -10- 200810136 (8) 【發明內容】 本發明的具體例大體上係有關光電伏打裝置或太陽能 電池的領域。更特別的是，本發明提供具有吸收IR及/或 UV的奈米結構層的光電伏打裝置。 一方面，本發明的具體例提供一種光電伏打裝置，其 包含：由顯示實質上在太陽光譜可見光區的輻射吸收之半 導體材料構成的第一光活性層，及由顯示實質上在該太陽 光譜IR區的輻射吸收之奈米結構材料構成的第二光活性 層。複合層係配置在該第一與第二層之間，且配置以促進 該第一與第二層之間，且經配置以促進該第一與第二層之 間的電荷傳輸。 另一方面，本發明提供一種光電伏打裝置，其包含第 一光活性層；配置在該第一層上的頂部光活性層，該頂部 光活性層係由顯示比該第一層更大的能帶間隙的材料構成 ;及配置在該第一層下的底部光活性層，該底部光活性層 係由顯示比該第一層更小的能帶間隙的材料構成。有些具 體例中，該頂部光活性層顯示2電子伏特及更高的能帶間 隙，且該底部光活性層顯示1.2電子伏特及更低的能帶間 隙。 . 又另一方面，本發明的具體例提供一種光電伏打裝置 ’其包含：由顯示實質上在太陽光譜可見光區的輻射吸收 之半導體材料構成的第一光活性層及由顯示實質上在太陽 光譜UV區的輻射吸收之奈米結構材料構成的頂部光活性 -11 - .200810136 (9) 層。複合層配置在該第一與頂部層之間，且配置以促進該 第一與頂部層之間的電荷傳輸。 又再一方面，本發明的具體例提供一種光電伏打裝置 ’其包含：由顯示實質上在太陽光譜可見光區的輻射吸收 之半導體材料構成的第一光活性層，及形成在該第一層上 之由顯示實質上在太陽光譜UV區的輻射吸收之奈米結構 材料構成的頂部光活性層。複合層配置在該第一與頂部層 φ 之間，且配置以促進該第一與頂部層之間的電荷傳輸。由 顯示實質上在太陽光譜IR區的輻射吸收之奈米結構材料 構成的底部光活性層係形成於該第一光活性層下方。第二 複合層配置在該第一與底部層之間，且配置以促進該第一 與底部層之間的電荷傳輸。 該奈米結構材料爲任何包含奈米尺寸的材料或粒子的 適合材料。這些奈米尺寸的材料或粒子可分散在另一種材 料，例如前驅物或載體化合物中。舉例來說，有些具體例 φ 中該奈米結構材料爲包含電洞傳導或電子傳導聚合物及分 散在其中的互補奈米粒子之奈米複合材料。該奈米複合材 料可由一或更多分散在聚合物中的奈米粒子構成。其他具 體例中，該奈米結構材料係由任何一或更多下列之物構成 :半導性點、棒或多足。多足可包含二及三棒結構，或其 他2及3維結構。適當奈米粒子材料的例子包括，但不限 於，一或更多下列之物：PbSe、PbS、CdHgTe、Si或 Si Ge。特別有益的是，該等奈米粒子的尺寸及/或組成可 經選擇以提供一個範圍的輻射吸收，藉此提高裝置的吸收 -12- 200810136 (10) 效率。 其他具體例中，該奈米結構材料係由光敏性奈米粒子 及傳導性奈米粒子的混合物構成。該等光敏性奈米粒子及 傳導性奈米粒子中之一或二者可經官能化。傳導性奈米粒 子的例子包括，但不限於，任何一或更多下列之物：單壁 碳奈米管（SWCNT) 、Ti〇2奈米管或Zn0奈米線。光敏 性奈米粒子的例子包括，但不限於，任何一或更多下列之 物：CdSe、ZnSe、PbSe、InP、Si、Ge、SiGe 或 III-V 方矢 材料。 有些具體例中，該複合層可由傳導與該傳導聚合物的 電荷相反的電荷之材料構成的摻雜層構成。因此有些具體 例中，該複合層包括具有與該奈米粒子的傳導聚合物相反 的電荷之摻雜層。或者，該複合層係由傳導與該奈米粒子 的電荷相反的電荷之材料構成的摻雜層。該複合層可進一 步包含耦合摻雜層的金屬層及/或絕緣層。 φ 該第一光活性層可由下列任一者構成：非晶矽、單晶 矽、多晶矽、微晶矽、奈米結晶矽、CdTe、二硒化銅銦 鎵（CIGS )或III-V族半導體材料。另一個具體例中，該 第一光活性層係由電洞傳導或電子傳導有機材料構成。舉 例來說，該第一光活性層可由P-I-N半導體或P-N半導體 構成。在替代性具體例中，第一光活性層係由任何一或更 多下列之物構成：P3HT、P30T、MEH-PPV、PCBM、 CuPe、PCTBI 或 C60 〇 在一個例示性具體例中，由奈米結構材料構成的第二 -13- 200810136 (11) 層包含一或更多配置在電洞傳導聚合物的無機奈米粒子， 且該複合層係由N +摻雜層；及耦合至該N +摻雜層的金屬 層構成。 【實施方式】 本發明的具體例大體上係有關於光電伏打裝置或太陽 能電池的領域。更特別的是，本發明提供具有IR及/或 φ UV吸收性奈米結構層的光電伏打裝置。「光電伏打裝置 」及「太陽能電池」二詞在全文說明中可相互交換使用。 本發明進一步係有關經由合倂吸收或獲得IR光子的奈米 結構材料及/或吸收或獲得UV光子的奈米結構材料而有 效提高太陽能電池成本效率。有些具體例中，該等-奈米結 構材料合倂下列之一或更多者：結晶矽（單晶或多晶）太 陽能電池及吸收主要在可見光區的薄膜（非晶矽、微晶性 矽、CdTe、C1GS及III-V族材料）太陽能電池。有些具 φ 體例中，該奈米結構材料由合倂第一材料層的一或更多奈 米粒子構成，該第一材料層顯示實質上在可見光譜的輻射 吸收。有些具體例中，該奈米粒子層由不同尺寸的量子點 、棒或多足構成。在一例子中奈米粒子的尺寸介於約2 nm至10 nm，且更常在約2 nm至6 nm的範圍，如第5 圖所示。小奈米粒子吸收光譜的藍色端同時大尺寸奈米粒 子吸收光譜的紅色端。
奈米粒子層較佳爲由不同的螢光材料構成。適當材料 的例子包括，但不限於，CdSe、PbSe、ZnSe、CdS、PbS -14-
200810136 (12) 、Si、Ge、SiGe、InP或111-1族半導體之任一或更 。PbS、PbSe、及SiGe爲吸收IR的奈米粒子的例 ZnSe爲吸收UV的奈米粒子的例子。不同化學性質 收IR及吸收UV的奈米粒子及粒子尺寸可經由此技 習知的方法製備而成。 在替代性具體例中，該奈米結構層係由奈米粒子 在傳導聚合物基質中所獲得的聚合物複合材料構成。 奈米粒子具有第4圖例示的核心-外殼結構。在此 ，該核心-外殼的核心1 0可包含半導體材料，例如 、II-IV半導體等。如第6圖所示該外殼20可由另-導體材料或溶劑，舉例來說TOPO構成。有些具體便 奈米粒子係被官能化，例如利用有機基團”以促成其 在傳導聚合物基質中。第7圖顯示奈米粒子由IV、 、：[II-V、II-VI、IV-VI族材料構成的奈米粒子（在m 爲量子點「QD」）。或者，該等奈米粒子30係係g 一或更多下列之物構成：CdSe、PbSe、ZnSe、CdS 、Si、SiGe或Ge。有些具體例中，該等奈米粒子 例如羧基（-COOH )、胺（_Nh2 )、膦酸根（_P〇4 ) 酸根（-HSO3 )及胺乙基硫醇等的官能基4〇來官能 奈米粒子層可經由例如旋塗法、浸塗法及噴墨 習知的溶液處理法來沈積。適當的話，奈米粒子也 真空沈積技術來沈積。厚度、粒子尺寸、發光材料 聚合物材料（若使用的話）的類型及該聚合物複合 若使用聚合物複合材料的話）的奈米粒子塡充量可 多者 子。 之吸 :藝中 分散 該等 :況中 III-V 1重半 [中， :分散 II-IV :亦稱 [任何 、PbS $利用 、磺 1印等 「經由 ί型、 卜料（ 〗以調 -15- 200810136 (13) 整使吸收IR的奈米粒子在IR區的吸收及吸收UV的奈米 粒子在UV區的吸收最大化。 其他具體例中，該奈米結構材料係由光敏性奈米粒子 及傳導性奈米粒子的混合物構成。該光敏性及傳導性奈米 粒子中之一或二者可被官能化。傳導性奈米粒子的例子包 括，但不限於，任何一或更多下列之物：單壁碳奈米管（ SWCNT) 、Ti02奈米管或ZnO奈米線。光敏性奈米粒子 0 的例子包括，但不限於，任何一或更多下列之物：c d s e、
ZnSe、PbSe、InP、Si、Ge、SiGe 或 ΙΠ-V 族材料。 另一方面，本發明係有關促進以高效率奈米粒子爲底 的光電伏打裝置之光電伏打裝置結構的開發。有些具體例 中，將光敏性奈米粒子（量子點、棒、二足、三足、多足 及線等）分散在高移動傳導聚合物的前驅物中以形成夾在 二傳導性電極之間之獲得輻射或光的薄膜層，這些電極中 之至少一者係透明的。該等前驅物較佳爲低分子量以便使 φ 彼等可保形地塗佈該等奈米粒子，同時在溶劑移除之後形 成前驅物/奈米粒子的薄膜。奈米粒子也可依此方式官能 化以促成利用前驅物來保形塗佈奈米粒子。該等奈米粒子 接著經由熱手段或經由使用UV輻射來聚合以獲得光敏性 奈米粒子完全包封在高移動傳導聚合物中的薄膜並促成奈 米粒子暴露於光底下時產生電洞與電子的快速電荷轉移。 光敏性奈米粒子可由其他暴露於光底下時會產生電子 電洞對的光敏性材料製成。奈米粒子可由硒化鎘（CdSe ) 、硒化鋅（ZnSe )、硒化鉛（PbSe )、磷化銦（InP )、 -16 - 200810136 (14) 硫化鉛（PbS)、矽（Si)、鍺（Ge)、鍺化矽（SiGe) 及ΙΠ-V族材料製成。 奈米粒子可利用有機或無機官能基來官能化。在此等 具體例中，接附至奈米粒子表面的官能基包括，但不限於 ，且爲Γ下—歹!Γ之一或多者：-COOH (羧基）、-ρ〇4 (膦—酸根 )、磺酸根（-S03H )及胺（-ΝΗ2 )。 局移動傳導聚合物的例子包括，但不限於稠五苯（ φ pentacene ) 、Ρ3ΗΤ及 PEDOT等。這些聚合物的前驅物 可含有一或更熱可聚合的官能基。環氧基爲適當熱可聚合 的官能基的例子。或者該前驅物可含有一或更多UV可聚 合的官能基。丙烯酸官能基爲適當UV可聚合的官能基的 例子。 有些具體例中，以第二種傳導聚合物材料與高移動聚 合物的前驅物及光敏性奈米粒子合倂以助於該前驅物被聚 合之前的初步膜形成。PVK爲適當第二種聚合物材料的例 Φ 子。孩佳爲該前驅物與第二種聚合物以前驅物對第二種聚 合物的最大比例混合，只要聚合之後不會發生相分離。在 一個具體例中稠五苯爲前驅物，預期其能使PVK膜塑化 以允許光敏性奈米粒子均勻分散在膜中，也允許該前驅物 保形塗佈奈米粒子。 有些具體例中，該奈米結構材料的層係由光敏性及傳 導性奈米粒子的混合物構成。例如單壁碳奈米管、Ti〇2 奈米管、ZnO奈米線等的傳導性奈米粒子可與前驅物及光 敏性奈米粒子（視需地利用第二種傳導聚合物）混合以進 -17- 200810136 (15) 一步藉由暴露於光底下而增進該等奈米粒子所產生的電子 與電洞之電荷分離。 其他具體例中，光敏性奈米粒子爲分離的粒子，或將 彼等接附至例如碳奈米管（SWCNT) 、Ti02奈米管、ZnO 奈米線等的傳導性奈米粒子。 光敏性奈米粒子可經由分子自身組合化學接附至碳奈 米管爲底傳導性奈米結構以在該碳奈米管上形成這些奈米 φ 粒子的單層。傳導性碳奈米管係經由此技藝中習知的方法 製成。有些具體例中，較佳爲碳奈米管係由單壁碳奈米管 (SWCNT )構成。該等碳奈米管可被官能化以促成其分 散在適當溶劑中。以經官能化的奈米粒子與碳奈米管上的 適當官能基（例如：羧基或其他）反應以經由分子自身組 合法來沈積緻密連續奈米粒子的單層。經由調整該等奈米 粒子上的官能基與該等碳奈米管，可調節該奈米結構表面 與奈米粒子之間的距離而使促成電荷再結合時表面狀態的 φ 效應最小化。保持此距離使電子穿隧經過該等奈米粒子至 該等高傳導性奈米粒子的間隙。有些具體例中，此距離爲 數埃，較佳爲小於5埃。此易得的電子傳輸將消除電荷再 結合且造成將導致有效太陽能轉變的高效率電荷分離。在 一個具體例中，經由在適當溶劑中反應將光敏性奈米粒子 接附至該等碳奈米管。傳導性碳奈米管可經由遵循此技藝 中習知的方法直接長在基材（例如：金屬箔、塗佈例如 ITO等傳導性氧化物的玻璃）上。光敏性奈米粒子可附接 至長在該基材上的碳奈米管。 -18- 200810136 (16) 在本發明另一方面中，教導將不同尺寸的光敏性奈米 粒子分散在高移動性聚合物的前驅物中以形成夾在兩個電 極之間的單層，這些電極中之至少一者係透明的，之光電 伏打裝置結構。第二種聚合物及/或傳導性奈米粒子係視 需要地混入含有該等奈米粒子及該前:IT物的層中。 再者，本發明的具體例提供具有多層結構的光電伏打 裝置結構，其中各層包含一或更多尺寸的光敏性奈米粒子 0 ，其分散在高移動性聚合物的前驅物中以形成夾在兩個電 極之間的單層，這些電極中之至少一者係透明的。第二種 聚合物及/或傳導性奈米粒子係視需要地混入含有該等奈 米粒子與前驅物的這些層各自當中。 本發明進一步提供光電伏打裝置，其中碳奈米管附接 著分散在高移動性聚合物（視需要地與第二種聚合物合倂 )的前驅物中形成夾在兩個電極之間的單層之不同尺寸不 同材料的光敏性奈米粒子。這些電極中之至少一者係透明 Φ 的。本發明的具體例包含附接著單一尺寸光敏性奈米粒子 的碳奈米管係堆疊在一起以形成夾在兩個電極，這些電極 中之至少一者係透明的，之間的多層之光電伏打裝置。此 外，本發明提供附接著單一尺寸單一材料光敏性奈米粒子 的碳奈米管係堆疊在一起以形成夾在兩個電極，這些電極 中之至少一者係透明的，之間的多層之光電伏打裝置。另 一個具體例中，提供附接著多重尺寸單一材料光敏性奈米 粒子的碳奈米管係堆疊在一起以形成夾在兩個電極，這些 電極中之至少一者係透明的，之間的多層之光電伏打裝置 -19- 200810136 (17) 另一方面中，本發明的具體例提供包含配置在電極與 奈米複合材料層之間的電洞傳輸界面層之光電伏打裝置。 具體例包括以電子傳輸界面層用於奈米複合材料層之間的 電極與光電伏打裝置。 現在參照圖形來描述例示性具體例的例子。參照第8 圖，顯示本發明光電伏打裝置800的一個具體例。在此具 體例中經由此技藝中習知的方法沈積絕緣層82〇及金屬層 8 3 0而在玻璃、金屬或塑膠基材8 1 0上建造光電伏打裝置 。在該金屬層830上沈積在IR區800至2,000nm(1.2 ev 及更小的能帶間隙）中有吸收的奈米結構材料層840，接 著包含透明傳導層（舉例來說ITO )或穿隧接面層85 0的 複合層。在這些層之後接著形成配置在該奈米結構層840 上的第一光活性層8 5 5。在此具體例中，第一光活性層 8 5 5係由包括η -型非晶砂8 6 0、i -型非晶砂8 7 0及口-型非 晶矽880的標準非晶矽層構成。或者，第一光活性層855 可由包括η-型微晶矽、i-型微晶矽及P-型微晶矽的標準微 晶矽層構成。第一光活性層8 5 5可經由此技藝中習知的方 法形成。接著在該矽層頂部沈積例如IT〇的透明傳導層（ TCO) 8 90。定光電伏打裝置的取向使日光8100落在TCO 8 9 0上。該非晶或微晶矽層8 5 5的厚度可經調整使在太陽 能光譜的可見光區的吸收最大化。與未倂入吸收IR的奈 米粒子的光電伏打裝置設計相比，本具體例中描述的光電 伏打裝置將獲得來自較高轉化效率的太陽能光譜的可見光 -20 - 200810136 (18) 及IR光子。 特別有益的是，在該第一光活性層與該奈米結構材料 層之間配置複合層或穿隧接面層850 °有些具體例中’該 複合層可由傳導與該奈米結構材料的電荷相反的電何之材 料所構成的摻雜層構成。因此有些具體例中’該複合層包 括具有與該奈米結構材料中的傳導聚合物材料的電何相反 的電荷之摻雜層。或者，該複合層爲由傳導與該奈米結構 材料中的奈米粒子的電荷相反的電荷之材料構成的摻雜層 。該複合層可進一步包含耦合至摻雜層的金屬層及/或絕 緣層。 第9圖更詳細地例示複合層8 5 0。該複合層8 5 0在下 文實施例中有時候也稱爲穿隧接面層。奈米結構層840係 由電洞傳導材料構成，該電洞傳導材料可爲電洞傳導奈米 粒子或配置在電洞傳導材料中的奈米粒子，例如電洞傳導 聚合物。複合層850包含一層金屬及/或絕緣體及一層p-摻雜材料。一般而言，該複合層爲由傳導與該奈米結構層 的電荷相反的電荷之材料構成的摻雜層。因此，該複合層 爲取決於該奈米結構層840的材料，由傳導與該奈米粒子 ，或該傳導聚合物材料的電荷相反的電荷之材料所構成的 摻雜層85〇B。有些具體例中，該複合層進一步包含耦合 至摻雜層85〇B的金屬層85 0 A。或者，該複合層進一步包 含親合至摻雜層850B的絕緣層（未顯示）。 爲了提供用於本發明的光電伏打裝置的適當頂部及底 邰電池連接大體上如第9圖例示的提供界面或複合層8 5 0 -21 - 200810136 (19) 。在一個具體例中，該複合層可具有經大量摻雜的非晶矽 附加層，該非晶矽層具有與該裝置的奈米結構層及/或在 該第一光活性層與該奈米結構層之間的金屬或絕緣層的摻 雜類型相反的類型，其可被想成頂部及底部太陽能電池。 該複合層係經配置以促進層之間的電荷傳輸。明確地說， 該複合層係經配置使得該能帶結構有利於明顯增強該底部 光活性層840 (也稱爲底部電池）的電洞與該第一光活性 φ 層8 5 5 (也稱爲頂部電池）的電子之間的再結合速率。同 時在電子-電洞再結合過程中的S S參與係經由頂部與底部 電池之間的物理分隔而被抑制。 再參照第9圖，該頂部電池具有沈積在第一光活性層 8 5 5之經大量摻雜的N +接-觸層，在本具體例中其係P-I-N 半導體的N +區，上之經非常大量摻雜的P +層850B。上 述P +及N +層在其與實際上變成一部分底部奈米結構層 840電洞傳導成分的極P +層8 5 0B之界面處形成穿隧接面 • 。該第一及奈米結構層8 5 5及840分別經由金屬的薄隧道 膜來作物理分隔。有些具體例中，該金屬膜8 5 0 A係由金 (Αιχ)構成且較佳地具有約5至15埃範圍的厚度。其他 金屬膜可用於其他具體例，附帶條件爲其係薄到足以確保 該奈米結構層的直接電洞穿隧，同時不會在界面處造成任 何明顯光學或電力損失。或者，可使用絕緣材料代替金屬 材料。要注意本發明可有效地用於相反傳導度類型的光電 伏打裝置具體例，在該情況中極N +層能替代本具體例的 P +層且該奈米結構層係設計成上接觸層爲電子傳輸且並非 -22- 200810136 (20) 電洞傳輸。 第9圖中也顯7K對應的能帶圖。可見得本發明的複合 界面，有利的能量條件爲經由薄金屬膜將來自奈米結構或 底部電池的電洞轉移至該頂部電池的極p +層’接著直接 穿隧且與—該頂肩Γ電池的N +層中的-電子再結合，藉此提供 串聯頂部與底部電池的有效率的低阻抗及最小損失關係。 因而本發明代表頂部與底部電池適當連結的問題之有效率 • 的解決方法。 具有吸收IR的層之光電伏打裝置另外的實施例 本發明另一個光電伏打裝置的具體例例示於第1 〇圖 中。大體上，在此具體例中，奈米結構材料的層係由獲得 IR的奈米粒子層合倂多晶或單晶政層構成。該多晶或單 晶矽層形成吸收實質上在太陽光譜可見光區的輻射之材料 的第一光電伏打層。在本具體例中該多晶矽光電伏打裝置 係經由此技藝中習知的方法建造，由η-型多晶性晶圓 1 040開始並在該晶圓一側利用ρ-型摻雜劑摻雜（或ρ-型 單晶晶圓可摻雜η-型摻雜劑），接著透明導體或傳導柵 極1〇5〇。在該多晶矽晶圓的第一 TCO層1050相反側上沈 積透明傳導層（例如：ΙΤΟ)或穿隧接面層1 03 0。在該 TCO或穿隧接面層1〇30上沈積在IR區800至2,000nm( 具有1.2 ev及更小的能帶間隙）中有吸收的奈米粒子層 1 02 0，接著金屬層1〇 10。多晶矽層的厚度及摻雜濃度可 經調整使在太陽光譜可見光區中的吸收最大化。與未倂入 -23- 200810136 (21) 吸收IR的奈米粒子的光電伏打裝置設計相比，在本具體 例中描述的光電伏打裝置能從太陽光譜獲得可見光及IR 光子。 又另一個具體例中，如第1 1圖所示提供第一光活性 層由CcTTe材料嘗成的光電伏打裝置。在此該奈米結構材 料層包含獲得IR的奈米粒子層。在本具體例中經由此技 藝中習知的方法沈積絕緣層1120及金屬層1 130而在玻璃 φ 、金屬或塑膠基材1110上建造光電伏打裝置。在該金屬 層1130上沈積在IR區800至2,000nm (具有1.2 ev及更 小的能帶間隙）中有吸收的奈米粒子層1 1 40，接著包含 複合層的透明傳導層（舉例來說ITO )或穿隧接面層1 150 。在這些層之後接著經由此技藝中習知的方法來形成 CdTe層1 160。接著在該矽層頂部上沈積例如ITO等的透 明傳導層TCO 1170。定光電伏打裝置的取向使日光1180 落在TCO 1 170上。該CdTe層的厚度可經調整使在太陽 φ 能光譜的可見光區的吸收最大化。與未倂入吸收IR的奈 米粒子的光電伏打裝置設計相比，本具體例中描述的光電 伏打裝置將獲得導致較高轉化效率的太陽能光譜的可見光 及IR光子。 在第12圖所示的再另一個具體例中，獲得IR的奈米 粒子層與CIGS層合倂。在本具體例中經由此技藝中習知 的方法沈積絕緣層1220及金屬層1230而在玻璃、金屬或 塑膠基材1210上建造光電伏打裝置。在該金屬層1230上 沈積在IR區800至2,000nm (具有1.2 ev及更小的能帶 -24- 200810136 (22) 間隙）中有吸收的奈米粒子層1 24 0，接著包含複合層的 透明傳導層（舉例來說ITO)或穿隧接面層1 250。在這些 層之後接著經由此技藝中習知的方法來形成CIGS層1260 。接著在該矽層頂部上沈積例如ITO等的透明傳導層 TCO- 1 270。定光電伏打裝置的取向使日光1 280落_在TCO 127 0上。該CIGS層的厚度可經調整使在太陽能光譜的可 見光區的吸收最大化。與未倂入吸收IR的奈米粒子的光 電伏打裝置設計相比，本具體例中描述的光電伏打裝置將 獲得導致較高轉化效率的太陽能光譜的可見光及IR光子 具有吸收UV的層之光電伏打裝置的實施例 又再一方面，提供一種光電伏打裝置，其中第一光活 性層係由顯示實質上在太陽光譜可見光區的輻射吸收之半 導體材料構成，且頂部光活性層係由顯示實質上在太陽光 譜UV區的輻射吸收之一或更多奈米粒子構成。複合層配 置在該第一與頂部層之間，且配置以促進該第一與頂部層 之間的電荷傳輸。參照第1 3圖顯示獲得υν的奈米粒子 層的頂部光活性層與非晶或微晶矽層構成的第一光活性層 合倂。在本具體例中經由此技藝中習知的方法沈積絕緣層 1320及金屬層1330而在玻璃、金屬或塑膠基材1310上 建造光電伏打裝置。在這些層之後接著標準非晶或微晶矽 層，其經由此技藝中習知的方法來形成本具體例中的第一 光活性層且包含η -型非晶砍1340、i -型非晶砂1350及p- -25- 200810136 (23) 型非晶矽1360。接著在該矽層頂部上沈積透明傳導層 T C Ο或穿隧接面層1 3 7 0 (在此情形中複合層）作爲複合 層。在該TCO或穿隧接面層1370上沈積在UV區（具有 2 ev及更高的能帶間隙）有吸收的奈米粒子層1 3 80，接 著例如ITO等的透明傳導層1 3 90。定光電伏打裝置的取 向使日光（1〇〇 )落在TCO ( 90 )上。非晶矽層的厚度可 經調整使在太陽能光譜的可見光區的吸收最大化。與未倂 φ 入吸收UV的奈米粒子的光電伏打裝置設計相比，本具體 例中描述的光電伏打裝置將獲得導致較高轉化效率的太陽 能光譜的可見光及UV光子。 在另一個具體例中，如第14圖所示，獲得UV的奈 米粒子層與多晶或單晶矽層合倂。在本具體例中經由此技 藝中習知的方法建造多晶或單晶矽光電伏打裝置，由η-型多晶性晶圓1 420開始並在該晶圓一側利用ρ-型摻雜劑 摻雜（或Ρ-型單晶晶圓可摻雜η-型摻雜劑），接著金屬 • 層1 4 1 0。在該多晶矽晶圓的金屬層1 4 1 0相反側上沈積透 明傳導層（例如：ΙΤΟ )或穿隧接面層1 43 0。在該TCO 或穿隧接面層1430上沈積在UV區（具有2 ev及更大的 能帶間隙）中有吸收的奈米粒子層1440，接著TCO層 1 45 0。多晶矽層的厚度及摻雜濃度可經調整使在太陽光譜 可見光區中的吸收最大化。與未倂入吸收UV的奈米粒子 的光電伏打裝置設計相比，在本具體例中描述的光電伏打 裝置能從太陽光譜獲得可見光及UV光子。 在另一個具體例中，如第15圖所示，獲得UV的奈 -26- 200810136 (24) 米粒子層與CdTe層合倂。在本具體例中經由此技藝中習 知的方法沈積絕緣層1 520及金屬層1 53 0而在玻璃、金屬 或塑膠基材1510上建造光電伏打裝置。在該CdTe層 1 540上沈積透明傳導層（例如：ITO)或穿隧接面層1550 (在此情形中複合層），接著在UV區（具有2 ev及更高 的能帶間隙）有吸收的奈米粒子層1 5 60，接著在該奈米 粒子層上沈積例如ITO等的透明傳導層TCO 1 570。定光 φ 電伏打裝置的取向使日光1 5 80落在TCO 1 570上。CdTe 層的厚度可經調整使在太陽能光譜的可見光區的吸收最大 化。與未倂入吸收UV的奈米粒子的光電伏打裝置設計相 比，本具體例中描述的光電伏打裝置將獲得導致較高轉化 效率的太陽能光譜的可見光及UV光子。 在又另一個具體例中，如第16圖所示，獲得UV的 奈米粒子層與CIGS層合倂。在本具體例中經由此技藝中 習知的方法沈積絕緣層1 620及金屬層1 63 0而在玻璃、金 φ 屬或塑膠基材1610上建造光電伏打裝置。在該CIGS層 1 640上沈積透明傳導層（例如：ITO)或穿隧接面層1650 (也稱爲複合層），接著在UV區（具有2 ev及更高的能 帶間隙）有吸收的奈米粒子層1 660，然後在該奈米粒子 層頂部上沈積例如ITO等的透明傳導層TCO 1 670。定光 電伏打裝置的取向使日光1 6 8 0落在TCO 1 670上。CIGS 層的厚度可經調整使在太陽能光譜的可見光區的吸收最大 化。與未併入吸收UV的奈米粒子的光電伏打裝置設計相 比，本具體例中描述的光電伏打裝置將獲得導致較高轉化 - 27- 200810136 (25) 效率的太陽能光譜的可見光及UV光子。 具有吸收UV及IR的層之光電伏打裝置的 又再一方面，本發明的具體例提供一 ，其包含：由顯示實質上在太陽光譜可見 之半導體材料構成的第一光活性層，及形 方由顯示實質上在太陽光譜UV區有輻射 Φ 材料構成的頂部光活性層。複合層配置在 之間，且配置以促進該第一與頂部層之間 該第一光活性層下方形成由顯示實質上在 有輻射吸收之奈米結構材料構成的底部光 一與底部電池之間配置第二複合層，且經 一與底部電池之間的電荷傳輸。 參照第1 7圖顯不獲得U V的奈米粒 獲得IR的奈米粒子層的底部層及配置在 φ 光活性層。在本具體例中，該第一光活性 晶矽層。在本具體例中經由此技藝中習知 層1 720及金屬層1 73 0而在玻璃、金屬] 上建造光電伏打裝置。在該金屬層1730 8 00至2,000nm (具有1.2 ev及更小的能 收的奈米粒子層1 7 4 0，接著透明傳導層（ 或穿隧接面層（或複合層）1750。在這些 經由此技藝中習知的方法來形成包含η-型 型非晶矽1 7 7 0及ρ -型非晶矽1 7 8 0的標 實施例 種光電伏打裝置 光區有輻射吸收 成在該第一層上 吸收之奈米結構 該第一與頂部層 的電荷傳輸。在 太陽光譜IR區 活性層。在該第 配置以促成該第 子層的頂部層及 彼等之間的第一 層包含非晶或微 的方法沈積絕緣 获塑膠基材1710 上沈積在IR區 帶間隙）中有吸 舉例來說ΙΤΟ) 層之後接著，在 非晶矽1 760、i-準非晶或微晶矽 -28- 200810136 (26) 層的情形中，沈積第一光活性層。接著在該砂層頂部上沈 積透明傳導層TCO 1 790或穿隧接面層。在該TCO或穿隧 接面層（90 )上沈積在UV區（具有2 ev及更高的能帶間 隙）有吸收的奈米粒子層1 7 1 00，接著例如ITO等的透明 傳導117110。定光電伏打裝置的取向使日光17120落在 TCO 1790上。非晶矽層的厚度可經調整使在太陽能光譜 的可見光區的吸收最大化。與未倂入吸收UV及IR的奈 φ 米粒子的光電伏打裝置設計相比，本具體例中描述的光電 伏打裝置將獲得導致較高轉化效率的太陽能光譜的可見光 、UV及IR光子。 參照第18圖描述另一個具體例，其顯示獲得UV & IR的奈米粒子層與多晶或單晶矽層合倂。在本具體例中 ，經由此技藝中習知的方法建造多晶或單晶矽光電伏打裝 置，由η-型多晶性晶圓1 840開始並在該晶圓一側利用p-型摻雜劑摻雜（或P-型單晶晶圓可摻雜η-型摻雜劑）， φ 接著TCO或穿隧接面層1 830。在該多晶矽晶圓的第一 TCO或穿隧金屬層1 8 3 0相反側上沈積透明傳導層（例如 :ΙΤΟ)或穿隧接面層1860(也稱爲複合層）。在該TCO 或穿隧接面層1 8 3 0上沈積在UV區（具有大於2 ev的能 帶間隙）中有吸收的奈米粒子層I 860，接著TCO層1870 。在該TCO或穿隧接面層1830上沈積在IR區（具有1·2 ev及更小的能帶間隙）中有吸收的奈米粒子層1 820，接 著金屬電極層1 8 1 0。多晶矽層的厚度及摻雜濃度可經調 整使在太陽光譜可見光區中的吸收最大化。與未倂入吸收 -29- 200810136 (27) UV及IR的奈米結構的光電伏打裝置設計相比，在本具體 例中描述的光電伏打裝置能從太陽光譜獲得可見光UV及 IR光子。 第19圖例示另一個具體例，其中21個獲得UV & IR 的奈米粒子層與CdTe層合倂。在本具體例中經由此技藝 中習知的方法沈積絕緣層1 920及金屬層1 93 0，接著在IR 區（具有小於1.2 ev的能帶間隙）中有吸收的奈米粒子層 φ 1940，接著透明傳導層TCO層1 950或穿隧接面層而在玻 璃、金屬或塑膠基材1910上建造光電伏打裝置。然後經 由此技藝中習知的方法在TCO或穿隧接面層（或複合層 )1 95 0上沈積CdTe層1 960。在該CdTe層I 960沈積透 明傳導層（例如：ITO )或穿隧接面層1 970，接著在UV 區（具有大於2 ev的能帶間隙）中有吸收的奈米粒子層 1 9 80，接著在該奈米粒子層頂部上沈積例如TCO的透明 傳導層TCO 1 990。定光電伏打裝置的取向使日光19100 φ 落在TCO 1990上。CdTe層的厚度可經調整使在太陽能光 譜的可見光區的吸收最大化。與未倂入吸收UV及IR的 奈米粒子的光電伏打裝置設計相比，本具體例中描述的光 電伏打裝置將獲得導致較高轉化效率的太陽能光譜的可見 光、UV及IR光子。 第20圖例示又另一個具體例，其中獲得UV & IR的 奈米粒子層與CIGS層合倂。在本具體例中經由沈積絕緣 層2020及金屬層2030，接者在IR區（具有小於1.2 ev 的能帶間隙）中有吸收的奈米粒子層2040，接著透明傳 -30- 200810136 (28) 導層TCO層或穿隧接面層（或複合層）2050而在玻璃、 金屬或塑膠基材2010上建造光電伏打裝置。然後經由此 技藝中習知的方法在TCO或穿隧接面層（或複合層） 2050上沈積CIGS層2060。在該CIGS層2060沈積透明 傳導層（例如：ITO)或穿隧接面層2070，接著在UV區 (具有大於2 ev的能帶間隙）中有吸收的奈米粒子層 20 8 0，接著在該奈米粒子層頂部上沈積例如TC〇的透明 φ 傳導層TCO 2090。定光電伏打裝置的取向使日光20100 落在TCO 2090上。CIGS層的厚度可經調整使在太陽能光 譜的可見光區的吸收最大化。與未倂入吸收UV及的 奈米粒子的光電伏打裝置設計相比，本具體例中描述的光 電伏打裝置將獲得導致較高轉化效率的太陽能光譜的可見 光、UV及IR光子。 在另一個具體例中，可使用化合物半導體材料作爲實 質上在太陽光譜可見光區吸收輻射之第一光活性層。第 φ 2 1圖例示獲得UV的奈米粒子層（例如：InP量子點）合 倂III-V族半導體層（例如：GaAs )的光電伏打裝置。在 本具體例中經由此技藝中習知的方法沈積絕緣層2 1 20及 金屬層2 1 3 0而在基材2 1 1 G上建造光電伏打裝置。經由此 技藝中習知的方法在這些層之後接著由P-型半導體2140 .及η-型半導體2150組成的III-V族半導體層。接著在該 III-V族半導體層頂部上沈積透明傳導層TCO 2160或穿隧 接面層TCO 2160或穿隧接面層。在該TCO或穿隧接面層 (也稱爲複合層）2160上沈積在UV區（具有大於2 ev -31 - 200810136 (29) 的能帶間隙）有吸收的奈米粒子層2 1 70，接著透明傳導 層TCO 2180。定光電伏打裝置的取向使日光2190落在 TCO 2 180上。與未倂入吸收UV的奈米粒子的光電伏打 裝置設計相比，本具體例中描述的光電伏打裝置將獲得導 致較高轉化效率的太陽能光譜的可見光及UV光子。 四接面光電伏打裝置的實施例 0 本發明有些具體例提供四接面光電伏打裝置。第22 圖例示合倂獲得IR的奈米粒子光電伏打裝置及結晶性（ 單晶或多晶）光電伏打裝置以形成四接面光電伏打裝置。 在本具體例中經由此技藝中習知的方法建造結晶矽光電伏 打裝置，由n-型結晶性矽晶圓2270開始。結晶砂光電伏 打裝置經由在該矽晶圓的第一 TCO層2270相反側上沈積 透明傳導層（例如：IT0 )或穿隧接面層（第一複合層） 229 0而完成。含有吸收IR的奈米粒子的光電伏打裝置係 # 由基材（玻璃、金屬或塑膠）2210開始，經由使用此技 藝中習知的標準方法沈積介電層22 20接著金屬層2230建 造而成。在該金屬層2230上沈積在IR區（具有小於1 ev 的能帶間隙）中有吸收的奈米粒子層2240，接著TCO或 穿隧接面層（在此情形中第二複合層）2250。經由合倂該 結晶矽光電伏打裝置及吸收IR的奈米粒子光電伏打裝置 而建造第22圖所示的四接面光電伏打裝置。光學黏著層 22 6 0可視需要用於將此二電池接合在一起。個別電池的 相對效能可經調整使在太陽能光譜的可見光及IR區的吸 -32- 200810136 (30) 收最大化。與未倂入含有吸收IR的奈米結構的光電伏打 裝置設計相比，本具體例中描述的光電伏打裝置將獲得導 致較高轉化效率的太陽能光譜的可見光及IR光子。 第23圖例示另一個具體例，其中合倂獲得UV的奈 米粒子光電伏打裝置與結晶（單晶或多晶）矽光電伏打裝 置以形成四接面光電伏打裝置。在本具體例中經由此技藝 中習知的方法建造結晶矽光電伏打裝置，由η-型結晶性 % 矽晶圓2320開始且在該晶圓一側利用摻雜ρ-型摻雜劑（ 或Ρ-型單晶晶圓可摻雜η-型摻雜劑）摻雜，接著金屬層 23 1 0。結晶矽光電伏打裝置經由在該矽晶圓的金屬層 23 10相反側上沈積透明傳導層（例如：ΙΤΟ )或穿隧接面 層（在此情形中第一複合層）2 3 3 0而完成。含有吸收UV 的奈米粒子的光電伏打裝置係由透明基材（玻璃、金屬或 塑膠）23 80開始，經由使用此技藝中習知的標準方法沈 積透明傳導TCO層2370建造而成。在該TCO層2370上 % 沈積在IR區（具有小於2 ev的能帶間隙）中有吸收的奈 米粒子層23 6 0，接著TCO或穿隧接面層（在此情形中第 二複合層）2350。經由合倂該結晶矽光電伏打裝置及吸收 IR的奈米粒子光電伏打裝置而建造第23圖所示的四接面 光電伏打裝置。光學黏著層2340可視需要用於將此二電 池接合在一起。個別電池的相對效能可經調整使在太陽能 光譜的可見光及uv區的吸收最大化。與未倂入含有吸收 UV的奈米結構的光電伏打裝置設計相比’本具體例中描 述的光電伏打裝置將獲得導致較高轉化效率的太陽能光譜 -33- 200810136 (31) 的可見光及UV光子。 第24圖描述又另一個具體例，其中合倂獲得IR的奈 米粒子光電伏打裝置及薄膜（a-Si、ιχ-Si、CdTe、CIGS、 ΙΠ-V )光電伏打裝置以形成四接面光電伏打裝置。在本 具體例中經由此技藝中眾所周知的方法建造薄膜光電伏打 裝置，由透明基材24100開始並沈積透明傳導層2490接 著活性薄膜層2480及透明導體或穿隧接面層（第一複合 φ 層）2470。含有吸收IR的奈米粒子的光電伏打裝置係由 基材（玻璃、金屬或塑膠）2410開始，經由使用此技藝 中習知的標準方法沈積介電層2420接著金屬層243 0建造 而成。在該金屬層243 0上沈積在IR區（具有小於1 ev 的能帶間隙）中有吸-收的奈米-粒子層2440，接著TCO或 穿隧接面層（在此情形中第二複合層）2450。經由合倂該 結晶矽光電伏打裝置及吸收IR的奈米粒子光電伏打裝置 而建造第 24圖所示的四接面串疊型電池。光學黏著層 # 2460可視需要用於將此二電池接合在一起。個別電池的 相對效能可經調整使在太陽能光譜的可見光及IR區的吸 收最大化。與未倂入含有吸收IR的奈米結構的光電伏打 裝置設計相比，本具體例中描述的光電伏打裝置將獲得導 致較高轉化效率的太陽能光譜的可見光及IR光子。 根據本發明具體例的四接面光電伏打裝置另一個具體 例示於第2 5圖中，其中合倂獲得UV的奈米粒子光電伏 打裝置與薄膜（a-Si、u-Si、CdTe、CIGS、III-V )光電伏 打裝置以形成四接面光電伏打裝置。在本具體例中經由此 -34- 200810136 (32) 技藝中習知的方法建造薄膜光電伏打裝置，由透明基材 25 1 00開始且沈積透明傳導層25 90，接著活性薄膜層 25 80及透明導體或穿隧接面層（例如，第一複合層） 2570。含有吸收UV的奈米粒子的光電伏打裝置係由基材 (玻璃、金屬或塑膠）25 1 0開始且經由使用此技藝中習 知的標準方法沈積介電層2520，接著金屬層25 3 0。在該 金屬層25 3 0上沈積在UV區（具有小於1 ev的能帶間隙 φ )中有吸收的奈米粒子層2540，接著TCO或穿隧接面層 (例如，第二複合層）2550。經由合倂該結晶矽光電伏打 裝置及吸收UV的奈米粒子光電伏打裝置而建造第25圖 所示的四接面光電伏打裝置。光學黏著層25 60可視需要 用於將此二電池接合在一起。個別電池的相對效能可經調 整使在太陽能光譜的可見光及UV區的吸收最大化。與未 倂入含有吸收UV的奈米結構的光電伏打裝置設計相比， 本具體例中描述的光電伏打裝置將獲得導致較高轉化效率 Φ 的太陽能光譜的可見光及UV光子。 具有經官能化的奈米粒子的光電伏打裝置的實施例 又再一方面中，本發明的具體例提供一種光電伏打裝 置，其包含：由顯示實質上在太陽光譜可見光區的輻射吸 收之半導體材料構成的第一光活性層，及一或更多由顯示 實質上在太陽光譜UV及/或可見光區的輻射吸收之奈米 結構材料構成的光活性層，其中該等奈米結構材料包含經 官能化的奈米粒子。第26圖例示根據本發明之一奈米複 -35- 200810136 (33) 合材料光電伏打裝置具體例。此光電伏打裝置係經由在經 塗佈例如ITO等透明導體2620的玻璃基材2610上塗佈含 有光敏性奈米粒子及例如稠五苯等高移動性聚合物的前驅 物的奈米複合材料薄層2 640，接著沈積陰極金屬層2 6 6 0 而形成。光敏性奈米粒子可由 IV、II-IV、II-VI、IV-VI 、III-V族材料製成。光敏性奈米粒子的例子包括，但不 限於 Si、Ge、CdSe、PbSe、ZnSe、CdTe、CdS 或 PbS。 ^ 奈米粒子可，舉例來說在約2 nm至1 0 nm的範圍內變化 以獲得能帶間隙範圍。這些奈米粒子可經由此技藝中習知 的方法製備。奈米粒子可經由此技藝中習知的方法予以官 能化。適當官能基的例子包括，但不限於：羧基（-COOH )、胺（·ΝΗ2)、膦酸根（-P04)、磺酸根（-HS03)及 胺乙基硫醇等等。分散在例如稠五苯等高移動性聚合物的 前驅物中之光敏性奈米粒子的奈米複合材料層2640可經 由旋塗法或其他眾所周知的溶液處理技術沈積在經塗佈 φ ITO的玻璃基材上。此層可爲一個單層或多個單層。在奈 米複合材料層2640中的前驅物係經由將該等膜加熱至適 當溫度以引發稠五苯前驅物的聚合。若使用UV可聚合的 前驅物，該聚合作用可經由使第26圖的膜的ITO側262 0 暴露於UV而達到。該光電伏打裝置的具體例可根據第3 2 圖例示的方法製造。在此裝置中當日光被奈米粒子吸收時 將產生電子電洞對，且所得的電子迅速被例如稠五苯等高 移動性聚合物傳輸至用於收集的陰極。從該等奈米粒子所 產生的電子電洞對快速移走電子將消除在奈米粒子爲底的 -36- 200810136 (34) 光電伏打裝置中常見到的電子-電洞再結合的可能性。 根據第26圖所示的具體例中，可在ITO 2620與奈米 複合材料層2640之間配置電洞注入/傳輸界面層或緩衝層 2630。或者，可在金屬層2660與奈米複合材料層264〇之 間配置電子注入/傳輸界面層，也稱爲複合層265〇。 第2 7圖描述奈米複合材料光電伏打裝置的另一個具 體例。此光電伏打裝置係經由在經塗佈例如IΤ Ο等透明導 馨 體2 7 2 〇的玻璃基材2 7 1 0上塗佈包含光敏性奈米粒子、例 如PVK或P3HT等高移動性聚合物及例如稠五苯等高移動 性聚合物2740的前驅物之奈米複合材料層2740，接著沈 積陰極金屬層2 7 6 0而製造。光敏性奈米粒子包含1〜、11-IV、II-VI、IV-VI、III-V族材料。光敏性奈米粒子的例 子包括，但不限於下列之任一或多者：Si、Ge、CdSe、 PbSe、ZnSe、CdTe、CdS或PbS。奈米粒子尺寸可加以變 化（舉例來說在約2 nm至1 0 nm的範圍）以獲得能帶間 • 隙範圍。這些奈米粒子可經由此技藝中習知的方法製備。 奈米粒子可經由此技藝中習知的方法予以官能化。官能基 包括，但不限於··羧基（-COOH )、胺（·ΝΗ2 )、膦酸根 (-Ρ04 )、磺酸根（-HS03 )及胺乙基硫醇等等。分散在 例如PVK或P3HT等高移動性聚合物及例如稠五苯等高移 動性聚合物的前驅物中之光敏性奈米粒子的奈米複合材料 層2740可經由旋塗法或其他眾所周知的溶液處理技術沈 積在經塗佈ITO的玻璃基材上。奈米複合材料層2740可 爲一個單層或多個單層。有些具體例中，該奈米複合材料 -37- (35) 200810136 層2740中的前驅物係經由將該等膜加熱至適當溫度以引 發稠五苯前驅物的聚合。若使用UV可聚合的前驅物，該 聚合作用可經由使該膜的ITO側2720暴露於UV而達到 。有些具體例中，該光電伏打裝置係根據第32圖例示的 方法製造。預期根據本具體例建造的光電伏打裝置具有高 效率。在此裝置中當日光被奈米粒子吸收時將產生電子電 洞對，且所得的電子迅速被例如稠五苯等高移動性聚合物 φ 傳輸至用於收集的陰極。從該等奈米粒子所產生的電子電 洞對快速移走電子將消除在奈米粒子爲底的光電伏打裝置 中常見到的電子-電洞再結合的可能性。 此外，有些具體例中電洞注入/傳輸界面層或緩衝層 27 30可用於ITO 2720與奈米複合材料層2740之間。在 替代性具體例中，可在金屬層2 7 6 0與奈米複合材料層 2740之間使用電子注入/傳輸界面層2750 ° φ 具有經官能化的奈米粒子及傳導性奈米粒子/奈米結構的 光電伏打裝置的實施例 有些具體例中，該奈米結構材料係由光敏性奈米粒子 及傳導性奈米粒子的混合物構成。該等光敏性及傳導性奈 米粒子之一或二者可經官能化。傳導性奈米粒子的例子係 由任何一或更多下列之物構成：單壁碳奈米管（SWCNT )、Ti〇2奈米管或ZnO奈米線。光敏性奈米粒子的例子 係由任何一或更多下列之物構成：CdSe、ZnSe、pbSe、
InP、Si、Ge、SiGe 或 ΠΙ-V 族材料。 -38- 200810136 (36) 第28圖例示一奈米複合材料光電伏打裝置的具體例 。此光電伏打裝置係經由在經塗佈例如1T0等透明導體 2820的玻璃基材2810上塗佈奈米複合材料薄層2840，該 薄層含有附接至分散在例如稠五本寺局移動性聚合物的目U 驅物中的傳導性奈米結構之光敏性奈米粒子，接著沈積陰 極金屬層2860而建造。光敏性奈米粒子可由IV、II-IV、 II-VI、IV-VI、III-V族材料製成。光敏性奈米粒子的例子 φ 包括，但不限於 Si、Ge、CdSe、PbSe、ZnSe、CdTe、 CdS、PbS。奈米粒子尺寸可加以變化（舉例來說：2 nm 至1 0 nm )以獲得能帶間隙範圍。這些奈米粒子可經由遵 照此技藝中習知的方法製備。奈米粒子可經由遵照此技藝 中眾所周知的方法予以官能化。官能基可包括羧基（-COOH ) 、胺（-NH2 ) '膦酸根（-P04 )、磺酸根（-HS03 )及胺 乙基硫醇等等。傳導性奈米結構可由碳奈米管（S WCNT ) 、Ti02奈米管或Zn〇奈米線製成。傳導性奈米結構可經 # 官能化以促成光敏性奈米粒子接附至傳導性奈米結構的表 面。光敏性奈米粒子的奈米複合材料層2 8 4 0係附接且分 散在例如稠五苯等高移動性聚合物的前驅物中。經由旋塗 法或其他眾所周知的溶液處理技術將此層2840沈積在經 塗佈ITO的玻璃基材上。此層可爲一個單層或多個單層。 在奈米複合材料層2840中的前驅物係經由將該等膜加熱 至適當溫度而聚合。若使用UV可聚合的前驅物，該聚合 作用可經由使該膜的ITO側2820暴露於UV而達到。第 3 2圖例示的方法可被進行以形成該光電伏打裝置。在此 -39- 200810136 (37) 裝置中當日光被奈米粒子吸收時將產生電子電洞對，且所 得的電子迅速被傳導性奈米結構及例如稠五苯等高移動性 聚合物傳輸至用於收集的陰極。從該等奈米粒子所產生的 電子-電洞對快速移走電子將消除在奈米粒子爲底的光電 伏打裝置中常見到的電子-電洞再結合的可能性。此外可 在ITO 2820與奈米複合材料層2840之間使用電洞注入/ 傳輸界面層或緩衝層2830。另一個具體例中’可在金屬 φ 層2860與奈米複合材料層2840之間使用電子注入/傳輸 界面層28 50。 第2 9圖中顯示奈米複合材料光電伏打裝置的又再另 一個具體例。此光電伏打裝置可經由在經塗佈例如ITO等 透明導體2920的玻璃基材291〇上塗佈奈米複合材料層 2940，該層含有附接至分散在例如PVK或P3HT等筒移動 性聚合物及例如稠五苯等高移動性聚合物2940的前驅物 中之傳導性奈米結構中的傳導性奈米結構之光敏性奈米粒 φ 子，接著沈積陰極金屬層2960而建造。光敏性奈米粒子 可包含IV、II-IV、II-VI、IV-VI、III-V族材料。光敏性 奈米粒子的例子包括，但不限於下列之一或多者：Si、Ge 、CdSe、PbSe、ZnSe、CdTe、CdS、PbS° 奈米粒子尺寸 可加以變化（舉例來說：2 至1 0 nm )以獲得能帶間隙 範圍。這些奈米粒子可經由此技藝中眾所周知的方法製備 。奈米粒子可經由此技藝中眾所周知的方法來官能化。官 能基可包括羧基（-COOH)、胺（-NH2)、膦酸根（-P〇4) 、磺酸根（-HS03 )及胺乙基硫醇等等。傳導性奈米結構 -40 - 200810136 (38) 可由碳奈米管（SWCNT ) 、Ti〇2奈米管或ZnO奈米線製 成。 傳導性奈米結構可經官能化以促成光敏性奈米粒子接 附至傳導性奈米結構的表面。有些具體例中，光敏性奈米 粒子的奈米複合材料層2940係附接且分散在例如PVK或 P 3 HT等高移動性聚合物的前驅物中。例如稠五苯等高移 動性聚合物的前驅物可經由旋塗法或其他眾所周知的溶液 φ 處理技術沈積在經塗佈ITO的玻璃基材上。此層可爲一個 單層或多個單層。在奈米複合材料層2940中的前驅物係 經由將該等膜加熱至適當溫度以引發稠五苯前驅物的聚合 作用而聚合。若使用uv可聚合的前驅物，該聚合作用可 經由使該膜的ITO側2920暴露於UV而達到。此光電伏 打裝置可經由使用第3 2圖所示的加工流程而製造。在此 裝置中當日光被奈米粒子吸收時將產生電子電洞對’且所 得的電子迅速被傳導性奈米結構及稠五苯的高移動性聚合 φ 物傳輸至用於收集的陰極。從該等奈米粒子所產生的電 子-電洞對快速移走電子將消除在奈米粒子爲底的光電伏 打裝置中常見到的電子-電洞再結合的可能性。 另一個具體例中，電洞注入/傳輸界面層或緩衝層 2930可用於ITO 2920與奈米複合材料層2940之間。或 者，可在金屬層2960與奈米複合材料層2940之間使用電 子注入/傳輸界面層2950。 第3 0圖中顯示奈米複合材料光電伏打裝置的又再另 一個具體例。此光電伏打裝置可經由在經塗佈例如IT0等 -41 - 200810136 (39) 透明導體3 020的玻璃基材3010上塗佈奈米複合材料層 3 040，該層含有分散在例如稠五苯等高移動性聚合物的前 驅物中的光敏性奈米粒子及傳導性奈米結構’接著沈積陰 極金屬層3060而建造。光敏性奈米粒子可由IV、II-IV、 II-VL、IV-VI、III-V族材料製成。光敏性奈米粒子的例子 包括 Si、Ge、CdSe、PbSe、ZnSe、CdTe、CdS、PbS。奈 米粒子尺寸可加以變化（舉例來說：2 nm至1 〇 nm )以獲 φ 得能帶間隙範圍。這些奈米粒子可經由此技藝中眾所周知 的方法製備。奈米粒子可經由此技藝中眾所周知的方法來 官能化。官能基可包括羧基（-COOH)、胺（-NH2)、膦 酸根（-P 〇 4 )、磺酸根（· H S Ο 3 )及胺乙基硫醇等等。傳 導性奈米結構可由碳奈米管（SWCNT ) 、Ti02奈米管或
ZnO奈米線製成。該傳導性奈米結構可經官能化以促成其 分散在高移動性聚合物的前驅物中。分散在例如稠五苯等 高移動性聚合物的前驅物中之光敏性奈米粒子及傳導性奈 φ 米結構的奈米複合材料層3 040可經由旋塗法或其他眾所 周知的溶液處理技術沈積在經塗佈ITO的玻璃基材上。此 層可爲一個單層或多個單層。在奈米複合材料層3040中 的前驅物係經由將該等膜加熱至適當溫度以引發前驅物的 聚合作用而聚合。若使用UV可聚合的前驅物，該聚合作 用可經由使該膜的ITO側3020暴露於UV而達到。預期 根據本具體例建造的光電伏打裝置具有高效率。在此裝置 中當日光被奈米粒子吸收時將產生電子電洞對，且所得的 電子迅速被傳導性奈米結構及例如稠五苯的高移動性聚合 -42- 200810136 (40) 物傳輸至用於收集的陰極。從該等奈米粒子所產生的電 子·電洞對快速移走電子將消除在奈米粒子爲底的光電伏 打裝置中常見到的電子-電洞再結合的可能性。有些具體 例中’電洞注入/傳輸界面層或緩衝層3 03 0可用於ITO 3 020與奈米複合材料層3〇4〇之間。或者，可在金屬層 3 060與奈米複合材料層3 040之間使用電子注入/傳輸界面 層 3 0 5 0 〇 φ 第31圖描述奈米複合材料光電伏打裝置的又另一個 具體例。此光電伏打裝置可經由在經塗佈例如ITO等透朗 導體3 1 2 0的玻璃基材3 1 1 0上塗佈奈米複合材料層3 1 4 0 ，該層含有分散在例如PVK或P 3 HT等高移動性聚合物及 例如稠五苯等高移動性聚合物3 1 4 0的前驅物中的光敏性 奈米粒子及傳導性奈米結構，接著沈積陰極金屬層3 1 60 而建造。光敏性奈米粒子的例子可由IV、II-IV、II-VI、 IV-VI、ιπ-ν族材料製成。光敏性奈米粒子的例子包括Si • 、Ge、CdSe、PbSe、ZnSe、CdTe、CdS、PbS ° 奈米粒子 尺寸可加以變化（舉例來說：2 nmS 10 nm)以獲得能帶 間隙範圍。這些奈米粒子可經由此技藝中眾所周知的方法 製備。奈米粒子可經由此技藝中眾所周知的方法來官能化 。官能基可包括羧基（_C00H )、胺（-NHb )、膦酸根 (-PCU )、磺酸根（-HSO3 )及胺乙基硫醇等等。傳導性 奈米結構可由碳奈米管（SWCNT) 、Ti〇2奈米管或ΖιιΟ 奈米線製成。傳導性奈米結構可經官能化以促成其分散在 汽移動性聚合物的前驅物中。分散在例如p v κ或p 3 Η T等 -43 - 200810136 (41) 高移動性聚合物及例如稠五苯等高移動性聚合物的前驅物 中之光敏性奈米粒子及傳導性奈米結構的奈米複合材料層 3140可經由旋塗法或其他眾所周知的溶液處理技術沈積 在經塗佈ITO的玻璃基材上。此層可爲一個單層或多個單 層。在奈米複合材料層3 1 4〇中的前驅物係經由將該等膜 加熱至適當溫度以引發稠五苯前驅物的聚合作用而聚合。 若使用UV可聚合的前驅物，該聚合作用可經由使該膜的 φ ITO側3 120暴露於UV而達到。第21圖所示的光電伏打 裝置可經由使用第3 2圖所示的方法步驟製成。預期根據 本具體例建造的光電伏打裝置具有高效率。在此裝置中當 曰光被奈米粒子吸收時將產生電子電洞對，且所得的電子 迅速被傳導性奈米結構及稠五苯的高移動性聚合物傳輸至 用於收集的陰極。從該等奈米粒子所產生的電子-電洞對 快速移走電子將消除在奈米粒子爲底的光電伏打裝置中常 見到的電子-電洞再結合的可能性。 φ 在第3 1圖所示的具體例版本中，電洞注入/傳輸界面 層或緩衝層3 130可用於ITO 3 12〇與奈米複合材料層 3 140之間。或者，可在金屬層3 160與奈米複合材料層 3140之間使用電子注入/傳輸界面層3150。 上述具體例爲應用本發明的一些實施例。任一熟習此 技藝者將明瞭例如氧化鋅、氧化錫、氧化銦錫、氧化銦鋅 等的其他透明傳導材料可用於上述具體例中。任一熟習此 技藝者將明瞭該光敏性奈米粒子可具有不同形狀-點、棒 、二足、多足、線等等。任一熟習此技藝者將明瞭其他傳 -44- 200810136 (42) 導性奈米管材料可用來代替該等具體例所述的碳奈米管、 Τι02奈米管及Zn〇奈米管。任一熟習此技藝者將明瞭其 他熱可固化或輻射可固化的前驅物可用來代替稠五苯前驅 物。任一熟習此技藝者將明瞭其他傳導性聚合物可用來代 替PVK、P3HT及PED0T。任一熟習此技藝者將明瞭其他 傳導性聚合物可用來代替該等具體例所述的P V κ、P 3 Η T 及 PEDOT 〇 φ 第3 2圖例示可用於製備根據本發明一些具體例的光 電伏打裝置之方法的一個具體例。明確地說，在步驟 3210時利用ΙΤΟ塗佈基材。在步驟3220時緩衝層可視需 要地沈積在經塗佈ΙΤΟ的基材上。在步驟3240時該裝置 接著進行溶液塗佈。視需要地，該溶液可含有光敏性奈米 粒子、聚合物前驅物及聚合物，步驟3 2 3 0。緩衝層可視 需要地在溶液塗佈之後沈積，步驟3 2 5 0。接下來，在步 驟3 2 6 0時沈積金屬，最後在步驟3 2 7 0時聚合該前驅物。 φ 聚合可經由熱或UV暴露的方式進行。 僅爲達例示及說明的目的而呈現前述指定具體例及本 發明最佳模式的描述。彼等並非試圖徹底揭示或將本發明 限於所揭示的精確形式。本發明的具體特徵顯示於一些圖 形中而其他地方沒有，僅爲求方便起見，且任何特徵都可 與依據本發明的其他特徵合倂。製程所述的步驟可加以重 排或合倂，且可包括其他步驟。具體例係經選擇及描述以 便最適地說明本發明的原理及其實際應用，藉以使其他熟 習此技藝者能最適地利用本發明且具有不同修飾的不同具 -45- 200810136 (43) 進一k 此等 在此 本發 考符
InP 發明 等的 的奈 獲得 槪要 體例適於特定的預期用途。根據此揭示內容本發明的 步的變化對熟習此技藝者而言將顯而易見，且試圖將 變化歸在後附申請專利範圍及其等效例的範圍以內。 以引用方式將上述引用的刊物的全文倂入本文中。 【圖式簡單說明】 經由考量下列的詳細描述，關聯隨附的圖形將使 φ 明的前述及其他方面顯而易見，其中在全文中類似參 號表示類似的零件，且其中： 第1圖顯示非晶矽的習知吸收光譜； 第2圖例示微晶矽的習知吸收光譜； 第3圖顯示傳統的非晶矽太陽能電池設計； 第4圖爲內核-外殼量子點（例子：PbSe、PbS及 ); 第5圖例示不同尺寸的量子點（QD)在根據本 φ 的不同色彩下吸收且放射； 第6圖例示利用例如氧化三正辛基磷（TOP Ο ) 溶劑封端的奈米粒子； 第7圖顯示根據本發明的具體例製備的經官能化 米粒子； 第8圖爲顯示具有合併非晶或微晶矽層的吸收或 IR的奈米粒子層之本發明一光電伏打裝置具體例的 圖； 第9圖爲例示本發明之一複合層具體例的槪要圖 -46- •200810136 (44) 第1 0圖例示顯示具有合倂多晶或單晶矽層的吸收或 獲得IR的奈米粒子層之本發明另一光電伏打裝置具體例 的槪要圖； 第11圖顯示具有合倂根據本發明具體例的CdTe層 的- IR獲-得奈米粒子層之本發明的光電伏打|置； 第12圖描述具有合倂根據本發明具體例的CIGS層 的IR獲得奈米粒子層之本發明的光電伏打裝置； 第1 3圖顯示具有合倂非晶或微晶矽層之吸收或獲得 UV的奈米粒子層之本發明一光電伏打裝置的槪要圖； 第1 4圖爲顯示具有合倂多晶矽或單晶矽層之獲得UV 的奈米粒子層之本發明一光電伏打裝置的槪要圖； 第1 5圖描述顯示具有合倂CdTe層之獲得UV的奈米 粒子層之本發明一光電伏打裝置的槪要圖； 第16圖例示顯示具有合倂CIGS層之獲得UV的奈米 粒子層之本發明一光電伏打裝置的槪要圖； 第1 7圖顯示具有合倂根據本發明具體例的非晶或微 晶矽層之吸收或獲得UV & IR的奈米粒子層之光電伏打 裝置； 第1 8圖例示具有合倂根據本發明具體例的多晶或單 晶矽層之吸收或獲得UV & ir的奈米粒子層之光電伏打 裝置； 第19圖顯示合倂根據本發明具體例的cdTe層之獲 得UV & IR的奈米粒子層； 第20圖顯示合倂根據本發明具體例的ciGS層之獲 -47- •200810136 (45) 得UV & IR的奈米粒子層； 第21圖例示具有合倂ΙΠ-ν族半導體層之獲得UV的 奈米粒子層之光電伏打裝置另一個具體例； 第2 2圖例不合倂根據本發明具體例的獲得I r的奈米 粒子之四接面結晶砂太陽能~電池； 第2 3圖顯示合倂根據本發明具體例的獲得UV的奈 米粒子之四接面結晶矽太陽能電池； 0 第2 4圖顯示合倂根據本發明具體例的獲得IR的奈米 粒子之四接面薄膜太陽能電池； 弟2 5圖描述合併根據本發明具體例的獲得U V的奈 米粒子之四接面薄膜太陽能電池； 第2 6圖顯示具有分散在根據本發明具體例的聚合物 前驅物中的光敏性奈米粒子之獲得光的層之奈米複合材料 光電伏打裝置的槪要圖； 第2 7圖顯示具有分散在根據本發明具體例的聚合物 φ 與聚合物前驅物混合物中的光敏性奈米粒子之獲得光的層 之奈米複合材料光電伏打裝置的槪要圖； 第28圖描述具有分散在根據本發明具體例的聚合物 前驅物中之經光敏性奈米粒子敏化的碳奈米管（S WCNT )之獲得光的層之奈米複合材料光電伏打裝置的槪要圖； 第29圖例示具有分散在根據本發明具體例的聚合物 與聚合物前驅物混合物中之經光敏性奈米粒子敏化的碳奈 米管（SWCNT )之獲得光的層之奈米複合材料光電伏打 裝置； -48 - 200810136 (46) 第3 0圖顯示具有分散在根據本發明具體例的聚合物 與聚合物前驅物混合物中之光敏性奈米粒子及例如 SWCNT等傳導性奈米結構之獲得光的層之奈米複合材料 光電伏打裝置； 第3 1圖顯示具有分散在根-據本發明具體例的-聚合物 與聚合物前驅物混合物中之光敏性奈米粒子及例如 SWCNT等傳導性奈米結構之獲得光的層之奈米複合材料 光電伏打裝置；以及 第3 2圖爲顯示用於製備具有含根據本發明具體例的 可聚合前驅物之獲得光的層之光電伏打裝置加工流程圖。 【主要元件符號說明】 1 0 ··核心 20 :·外殼 3 0 :奈米粒子 4 0 :官能基 8 0 0 :光電伏打裝置 810 :基材 8 2 0 :絕緣層 83 0 :金屬層 8 4 0 :奈米結構材料層 8 5 〇 :穿隧接面層 850A ：金屬層 《50B :摻雜層 -49- 200810136 (47)
8 5 5 :第一光活性層 8 6 0: π -型非晶石夕 870 : i-型非晶矽 8 8 0 : p -型非晶矽 8 90 :透明傳導層 1 〇1 〇 :金屬層 1020:奈米粒子層 1 030 :穿隧接面層 1 040 : η-型多晶性晶圓 1 0 5 0 :傳導柵極 1 1 1 0 :基材 1 1 2 0 :絕緣層 1 1 30 :金屬層 1 1 4 0 :奈米粒子層 1 1 5 0 :穿隧接面層 1160： CdTe 層 1170 :透明傳導層 1180 ：日光 1 2 1 0 :基材 1 2 2 0 :絕緣層 1 23 0 :金屬層 1240 :奈米粒子層 1 2 5 0 :穿隧接面層 1260 : CIGS 層 200810136 (48)
1270 :透明傳導層 1280 :日光 1 3 1 0 :基材 1 3 2 0 :絕緣層 1 3 3 〇 :金屬層 1 3 40 : η-型非晶矽 1 3 5 0 : i-型非晶矽 1 3 60 : p-型非晶矽 1 3 7 0 :穿隧接面層 1 3 8 0 :奈米粒子層 1 3 9 0 :透明傳導層 1 4 1 0 :金屬層 1 420 : η-型多晶性晶圓 1 43 0 :穿隧接面層 1 440 :奈米粒子層 1 45 0 ： T C Ο 層 1 5 1 0 :基材 1 5 2 0 :絕緣層 1 5 3 0 ：金屬層 1540 ： CdTe 層 1 5 5 0 :穿隧接面層 1560:奈米粒子層 1 570 :透明傳導層 1 5 8 0 :曰光 -51 200810136 (49)
1 6 1 0 :基材 1 6 2 0 :絕緣層 1 63 0 ：金屬層 1640 ： CIGS 層 1 650 :穿隧接面層 1 6 6 0 :奈米粒子層 1 670 :透明傳導層 1 6 8 0 :日光 1 7 1 0 :基材 1 7 2 0 :絕緣層 1 73 0 ：金屬層 1 74 0 :奈米粒子層 1 75 0 ：穿隧接面層 1 760 ： η-型非晶矽 1 770 : i-型非晶矽 1780: p-型非晶石夕 1 7 9 0 :透明傳導層 1810 ：金屬電極層 1 820 ：奈米粒子層 1 8 3 0 :穿隧接面層 1 8 4 0 · η -型多晶性晶圓 1 8 6 0 :穿隧接面層 1 8 7 0 :透明傳導層 1 9 1 0 :基材 -52- 200810136 (50) 1 920 ： 絕緣層 1 93 0 ： 金屬層 1 940 ： 奈米粒子層 1 95 0: 穿隧接面層 1 960 ： CdTe 層 1 970 ： 穿隧接面層 1 98 0 : 奈米粒子層 • 1 990 ： 透明傳導層 2210： 基材 2 22 0 ： 介電層 223 0 ： 金屬層 2 24 0 ： 奈米粒子層 225 0 ： 穿隧接面層 2260 ： 光學黏著層 2 27 0 ： η-型結晶性矽晶圓 • 2290 : 穿隧接面層 2310 ： 金屬層 2320 : η-型結晶性矽晶圓 23 3 0 ： 穿隧接面層 2340 ： :光學黏著層 23 5 0 ： :穿隧接面層 2360 ： :奈米粒子層 237 0 ： :透明傳導層 23 8 0 : :透明基材 -53- 200810136 (51) 2410 ：基材 2420 :介電層 2430 :金屬層 2440 :奈米粒子層 245Ό :穿隧養面層 2460 :光學黏著層 2470 :穿隧接面層 φ 2480 :活性薄膜層 2490 :透明傳導層 2510：基材 2 5 2 0 :介電層 25 3 0 ：金屬層 2540 ：奈米粒子層 2 5 5 0 :穿隧接面層 2 5 6 0 :光學黏著層 φ 2570:穿隧接面層 25 8 0 :活性薄膜層 25 9 0 :透明傳導層 2 610 ：玻璃基材 2620 :透明導體 2 6 3 0 :緩衝層 2 6 4 0 :奈米複合材料薄層 2650 :複合層 2660:陰極金屬層 -54 200810136 (52) 2 7 1 0 :玻璃基材 2720 :透明導體 273 0 :緩衝層 2 7 4 0 :奈米複合材料層 2750 :電子注入/傳輸界面層 2760 :陰極金屬層 2 8 1 0 :玻璃基材
2820 :透明導體 2 8 3 0 :緩衝層 2840 :奈米複合材料薄層 28 5 0:電子注入/傳輸界面層 2860:陰極金屬層 2910 ：玻璃基材 2920 :透明導體 293 0 ：緩衝層 2940 :奈米複合材料層 295 0 :電子注入/傳輸界面層 2 9 6 0 :陰極金屬層 3010 ：玻璃基材 3 020 :透明導體 3 0 3 0 :緩衝層 3 040 :奈米複合材料層 3 05 0 ：電子注入/傳輸界面層 3 0 60 :陰極金屬層 -55- 200810136 (53) 3 1 1 0 :玻璃基材 3120 :透明導體 3 1 3 0 :緩衝層 3 140 :奈米複合材料層 3 1 5Ό :電子注入/傳輸界面層 3160:陰極金屬層 8 1 0 0 :日光 φ 17100 :奈米粒子層 1 7 1 1 0 :透明傳導層 17120 ：日光 19100 ：日光 24 1 00 :透明基材 2 5 1 0 0 :透明基材
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Claims (1)

  1. 200810136 (1) 十、申請專利範圍 1·一種光電伏打裝置，其包含： 由顯示實質上在太陽光譜可見光區的輻射吸收之半導 體材料構成的第一光活性層； 由顯示實質上在太陽光譜1及區的輻射吸收之奈米結 構材料構成的第二光活性層；及 配置在該第一與第二層之間，且配置以促進該第一與 Φ 第二層之間的電荷傳輸的複合層。 2 .如申請專利範圍第1項之光電伏打裝置，其中該奈 米結構材料係包含電洞傳導或電子傳導聚合物及互補奈米 粒子的奈米複合材料。 3 ·如申請專利範圍第2項之光電伏打裝置，其中該複 合層係由傳導與該傳導聚合物的電荷相反的電荷之材料構 成的摻雜層。 4 .如申請專利範圍第2項之光電伏打裝置，其中該複 φ 合層係由傳導與該奈米粒子的電荷相反的電荷之材料構成 的摻雜層。 5 .如申請專利範圍第2項之光電伏打裝置，其中該複 合層進一步包含親合慘雜層的金屬層。 6 ·如申請專利範圍第2項之光電伏打裝置，其中該複 合層進一步包含耦合摻雜層的絕緣層。 7 ·如申請專利範圍第1項之光電伏打裝置，其中該奈 米結構材料係由任何一或更多下列之物構成：半導性點、 棒或多足。 -57- 200810136 (2) 8 ·如申請專利範圍第2項之光電伏打裝置，其中該奈 米複合材料係由任何一或更多配置在聚合物中的奈米粒子 構成。 9·如申請專利範圍第7項之光電伏打裝置，其中該一 或更多奈米粒子係由任何一或更多下列之物構成：Pb S e、 PbS、CdHgTe、Si 或 SiGe。 10.如申儒專利範圍第8項之光電伏打裝置，其中該 φ 一或更多奈米粒子係由任何一或更多下列之物構成：Pb S e 、PbS、CdHgTe、Si 或 SiGe。 1 1 ·如申請專利範圍第8項之光電伏打裝置，其中該 聚合物係由任何一或更多下列之物構成：P3HT、稠五苯 或 MEH-PPV。 1 2 .如申請專利範圍第1項之光電伏打裝置，其中該 奈米結構材料係由光敏性奈米粒子及傳導性奈米粒子的混 合物構成。 0 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之光電伏打裝置，其中該 光敏性及傳導性奈米粒子中之一或二者係被官能化。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之光電伏打裝置’其中該 傳導性奈米粒子係由任何一或更多下列之物構成：單壁碳 奈米管（SWCNT)、Ti02奈米管或Zn0奈米線。 丨5 .如申請專利範圍第1 2項之光電伏打裝置’其中該 光敏性奈米粒子係由任何一或更多下列之物構成：CdSe、 ZnSe、PbSe、InP、Si、Ge、SiGe 或 III-V 族材料。 i 6 •如申請專利範圍第1項之光電伏打裝置’其中該 -58- 200810136 (3) 第二層包含一或更多配置在電洞傳導聚合物的無機奈米粒 子，且該複合層進一步包含： N +摻雜層；及 耦合至該N +摻雜層的金屬層。 17·如申請擎利範-圍第1項之光電伏打裝置，其中該 第一光活性層係由下列任一者構成：非晶矽、單晶矽、多 晶矽、微晶矽、奈米結晶矽、CdTe、二硒化銅銦鎵（ φ CIGS )或III-V族半導體材料。 1 8 ·如申請專利範圍第1項之光電伏打裝置，其中該 第一光活性層係由電洞傳導或電子傳導之有機材料構成。 1 9.如申請專利範圍第1項之光電伏打裝置，其中該 第一光活性層係由任何一或更多下列之物構成：P3HT、 P30T、MEH-PPV、PCBM、CuPe、PCTBI 或 C60。 20.如申請專利範圍第1項之光電伏打裝置，其中該 第一光活性層包含P-I-N半導體或P-N半導體。 φ 2 1 .如申請專利範圍第1項之光電伏打裝置，其中該 第一光活性層係由多層構成’各層係配置以吸收該可見光 譜的特定範圍。 2 2 .如申請專利範圍第2 1項之光電伏打裝置’其進一 步包含：一或更多配置在一或更多多層之間的複合層，該 複合層係配置以促進橫越該等多層的電荷傳輸。 2 3 .如申請專利範圔第1項之光電伏打裝置’其中該 第二光活性層係由多層構成，各層係配置以吸收該1R光 譜的特定範圍。 -59- 200810136 (4) 24·如申請專利範圍第23項之光電伏打裝置， 步包含：一或更多配置在一或更多多層之間的複合 複合層係配置以促進橫越該等多層的電荷傳輸。 25.如申請專利範圍第1項之光電伏打裝置， 步包-含：配置在該IT一層上的頂部'光活性層，該頂 性層包含顯示實質上在該太陽光譜UV區的輻射吸 枓。 φ 26.如申請專利範圍第25項之光電伏打裝置， 步包含配置在該第一及頂部層之間，且配置以促進 與第一層之間的電荷傳輸之第二複合層。 27.如申請專利範圍第25項之光電伏打裝置， 頂部光活性層係由一或更多奈米粒子構成。 2 8 .如申請專利範圍第25項之光電伏打裝置， 頂部光活性層係由一或更多分散在聚合物基質中的 子構成。 φ 29.如申請專利範圍第28項之光電伏打裝置， 一或更多奈米粒子係由任何一或更多下列之物構成 或 CdZnTe ° 30.—種光電伏打裝置，其包含： 第一光活性層； 配置在該第一層上的頂部光活性層，該頂部光 係由顯示比該第一層更大的能帶間隙的材料構成； 配置在該第一層下的底部光活性層’該底部光 係由顯示比該第一層更小的能帶間隙的材料_成。 其進一 層，該 其進一 部光活 收之材 其進一 該頂部 其中該 其中該 奈米粒 其中該 :ZnS e 活性層 及 活性層 -60- 200810136 (5) 3 1·如申請專利範圍第30項之光電伏打裝置，其中該 頂部光活性層顯示2電子伏特及更高的能帶間隙。 32·如申請專利範圍第3 0項之光電伏打裝置，其中該 底部光活性層顯示1.2電子伏特及更低的能帶間隙。 3 3.—種光電伏打裝置，其包含： 由顯示實質上在太陽光譜可見光區的輻射吸收之半導 體材料構成的第一光活性層； φ 由顯示實質上在太陽光譜UV區的輻射吸收之一或更 多奈米粒子構成的頂部光活性層；及 配置在該第一與頂部層之間，且配置以促進該第一與 頂部層之間的電荷傳輸的複合層。 3 4 .如申請專利範圍第3 3項之光電伏打裝置，其中該 複合層係由Ρ +摻雜層構成。 3 5 .如申請專利範圍第3 3項之光電伏打裝置，其中該 第一光活性層包含Ρ-Ι-Ν半導體。 φ 3 6 .如申請專利範圍第3 3項之光電伏打裝置，其中該 一或更多奈米粒子係分散在聚合物基質中。 37.—種光電伏打裝置，其包含： 由顯示實質上在太陽光譜可見光區的輻射吸收之奈# 結構材料構成的第一光活性層； 由顯示實質上在太陽光譜UV區的輻射吸收之奈米結 構材料構成的頂部光活性層， 配置在該第一與頂部層之間’且配置以促進該第一與 頂部層之間的電荷2傳輸的複合層； -61 - 200810136 (6) 由顯示實質上在太陽光譜IR區的輻射吸收之奈米結 構材料構成的底部光活性層；及 配置在該第一與底部層之間’且配置以促進該第一與 底部層之間的電荷傳輸的第二複合層。
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