TWI431784B - 使用半導體材料之用於薄膜光伏材料的方法和結構 - Google Patents

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使用半導體材料之用於薄膜光伏材料的方法和結構
本發明大致上關於光伏材料。更詳細言之，本發明係提供一種使用包括第IV族材料(例如矽、鍺)和金屬氧化物(例如氧化銅及類似者)之薄膜製程製造光伏材料的方法與結構。僅供舉例，本案方法與結構已使用奈米結構配置實施，但將認知到本發明可具有其他配置。
打從開天闢地以來，人類一直耗費極大努力尋找利用能源的方式。能源有諸如石化、水力發電、核能、風力、生質能、太陽能的形式、以及更原始的形式，例如木材與煤炭。過去一個世紀以來，現代文明已經倚賴石化能源作為重要來源。石化能源包括瓦斯及油類。瓦斯包括較輕的形式，例如丁烷與丙烷，通常用於暖化住家及用作烹煮燃料。瓦斯亦包括汽油、柴油和噴射機燃料，通常用於運輸目的。在一些地方，較重形式的石油化學品亦可用於暖化住家。可惜的是，石化能源是有限的且取決於行星地球上可取得的量而為基本上固定的。此外，隨著越多人類開始駕車並使用石油化學品，石油化學品變成相當稀有的資源，其隨著時間演進終將耗盡。
近來，所期望的是潔淨的能量來源。潔淨能量來源的一個例子是水力發電能源。水力發電能源係衍生自已經由大水壩如位於內華達州的胡佛水壩蓄藏的水的力量所驅動的發電機。所生成的電力係用於提供加州洛杉磯市大部分地區動力。其他種類的潔淨能源包括太陽能。太陽能的明確細節可於本案背景且更尤其是下文中找到。
太陽能係大致上將來自太陽的電磁輻射轉換成其他有用的能源形式。該等其他形式的能源包括熱能及電力。就電力應用而言，經常使用到太陽能電池。雖然太陽能係潔淨且已達到某種程度的成功，但在其變成全世界廣泛使用之前仍有許多限制。作為一例子，一類太陽能電池係使用由半導體材料晶錠所形成的結晶材料。該等結晶材料包括將電磁輻射轉換成電流的光二極體元件。結晶材料通常成本很高且很難大規模製造。此外，由該類結晶材料所製造之元件的能源轉換效率很低。其他種類的太陽能電池使用「薄膜」技術形成用於將電磁輻射轉換成電流的光敏材料薄膜。使用薄膜技術製造太陽能電池存在類似的限制。亦即，效率經常很差。此外，膜的可靠度經常很差，不能長期用於習用之環境應用。該等習用技術的這些及其他限制可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
從上文可看出所期待的是用於製造光伏材料之改良技術及所得元件。
根據本發明，提供關於光伏材料的技術。更詳細言之，本發明係提供一種使用包括第IV族材料(例如矽、鍺、矽－鍺合金)和金屬氧化物(例如氧化銅及類似者)之薄膜製程製造光伏材料的方法與結構。僅供舉例，本案方法與結構已使用奈米結構配置實施，但將認知到本發明可具有其他配置。
在一特定具體實例中，本發明係提供一種光伏奈米複合奈米結構化材料，例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料。在一特定具體實例中，該材料係包括第一奈米結構化材料及第二奈米結構化材料。「第一」與「第二」等詞應以其平常意義解釋而非意圖限制。互混區係由第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料提供。在一特定具體實例中，「互混區」一詞應以其平常意義解釋而不應解讀成限制。第一電子親和力與第一游離電勢代表第一奈米結構化材料的特徵。第二電子親和力與第二游離電勢代表第二奈米結構化材料的特徵。根據一較佳具體實例，第一電子親和力係小於第二電子親和力且第一游離電勢係小於第二游離電勢。在一特定具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。該材料亦具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
在另一特定具體實例中，本發明係提供一種光伏奈米複合材料，例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料。在一特定具體實例中，該材料係包括第一奈米結構化材料及第二奈米結構化材料。第一電子親和力與第一游離電勢代表第一奈米結構化材料的特徵。第二電子親和力與第二游離電勢代表第二奈米結構化材料的特徵。在一較佳具體實例中，第一游離電勢係小於第二游離電勢且第一電子親和力係小於第二電子親和力。在一特定具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光學吸收係數係代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
在再另一具體實例中，本發明係提供一種光伏奈米複合材料，例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料。該材料係包括第一奈米結構化材料、第二奈米結構化材料及第三奈米結構化材料。在一較佳具體實例中，互混區係由第一奈米結構化材料、第二奈米結構化材料及第三奈米結構化材料提供。第一電子親和力與第一游離電勢代表第一奈米結構化材料的特徵。第二電子親和力與第二游離電勢代表第二奈米結構化材料的特徵。第三電子親和力與第三游離電勢代表第三奈米結構化材料的特徵。第一電子親和力係小於第二電子親和力，第二電子親和力係小於第三電子親和力。第一游離電勢係小於第二游離電勢，第二游離電勢係小於第三游離電勢。第三電子親和力係小於第一游離電勢。針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數係代表第一奈米結構化材料、第二奈米結構化材料及第三奈米結構化材料當中至少一者、二者或全體三者的特徵。
在再另一特定具體實例中，本發明係提供一種光伏奈米複合材料，例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料。根據一特定具體實例，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料的一側上。電洞傳輸/電子阻隔材料係置於該奈米結構化材料相反於電子傳輸/電洞阻隔材料之側上。一互混區係由該奈米結構化材料與電子傳輸/電洞阻隔材料提供。一互混區係由該奈米結構化材料與電洞傳輸/電子阻隔材料提供。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內。根據一特定具體實例，該奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。
在再另一特定具體實例中，本發明係提供一種光伏奈米複合材料，例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料。根據一特定具體實例，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料的一側上。互混區係由該奈米結構化材料與電子傳輸/電洞阻隔材料提供。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內。根據一特定具體實例，該奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。
在再另一特定具體實例中，本發明係提供一種光伏奈米複合材料，例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料。根據一特定具體實例，電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料的一側上。互混區係由該奈米結構化材料與電洞傳輸/電子阻隔材料提供。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內。根據一特定具體實例，該奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。
更進一步的是，本發明係提供一種光伏元件。在一特定具體實例中，本案元件係具有電子集電極；電洞集電極；奈米結構化材料，其置於該電子集電極與電洞集電極之間。該奈米結構化材料具有第一奈米結構化材料及第二奈米結構化材料。互混區係由該第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料提供。第一電子親和力與第一游離電勢代表第一奈米結構化材料的特徵。第二電子親和力與第二游離電勢代表第二奈米結構化材料的特徵。在一較佳具體實例中，第一電子親和力係小於第二電子親和力且第一游離電勢係小於第二游離電勢，而且第二電子親和力係小於第一游離電勢。針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數係代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
更進一步的是，本發明係提供一種光伏元件。在一特定具體實例中，本案元件係具有電子集電極；電洞集電極；奈米結構化材料，其置於該電子集電極與電洞集電極之間。該奈米結構化材料具有第一奈米結構化材料及第二奈米結構化材料。互混區係由該第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料提供。第一電子親和力與第一游離電勢代表第一奈米結構化材料的特徵。第二電子親和力與第二游離電勢代表第二奈米結構化材料的特徵。在一較佳具體實例中，第一電子親和力係小於第二電子親和力，且第一游離電勢係小於第二游離電勢。在一特定具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。根據一特定具體實例，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於該電子集電極與奈米結構化材料之間。電洞傳輸/電子阻隔材料係置於電洞集電極與奈米結構化材料之間。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內。針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數係代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
更進一步的是，本發明係提供一種光伏元件。在一特定具體實例中，本案元件係具有電子集電極；電洞集電極；奈米結構化材料，其置於該電子集電極與電洞集電極之間。該奈米結構化材料具有第一奈米結構化材料及第二奈米結構化材料。互混區係由該第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料提供。第一電子親和力與第一游離電勢代表第一奈米結構化材料的特徵。第二電子親和力與第二游離電勢代表第二奈米結構化材料的特徵。在一較佳具體實例中，第一電子親和力係小於第二電子親和力且第一游離電勢係小於第二游離電勢。在一特定具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。根據一特定具體實例，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於該電子集電極與奈米結構化材料之間。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內。針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數係代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
更進一步的是，本發明係提供一種光伏元件。在一特定具體實例中，本案元件係具有電子集電極；電洞集電極；一奈米結構化材料，其置於該電子集電極與電洞集電極之間。該奈米結構化材料具有一第一奈米結構化材料及一第二奈米結構化材料。一互混區係由該第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料提供。第一電子親和力與第一游離電勢代表第一奈米結構化材料的特徵。第二電子親和力與第二游離電勢代表第二奈米結構化材料的特徵。在一較佳具體實例中，第一電子親和力係小於第二電子親和力且第一游離電勢係小於第二游離電勢。在一特定具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。根據一特定具體實例，電洞傳輸/電子阻隔材料係置於該電洞集電極與奈米結構化材料之間。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內。針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數係代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
更進一步的是，本發明係提供一種光伏元件，其包含置於電子集電極與電洞集電極之間的奈米結構化材料，例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料。根據一特定具體實例，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於該電子集電極與奈米結構化材料之間。電洞傳輸/電子阻隔材料係置於該電洞集電極與奈米結構化材料之間。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內。根據一特定具體實例，該奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。
在再另一具體實例中，本發明係提供一種光伏元件，例如太陽能電池。該元件具有奈米結構化材料，其置於電子集電極與電洞集電極之間。電子傳輸/電洞阻隔材料係置於該電子集電極與奈米結構化材料之間。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內。在一特定具體實例中，該奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。
在一特定具體實例中，本發明係提供一種光伏元件，該元件包含一奈米結構化材料，其置於電子集電極與電洞集電極之間。電洞傳輸/電子阻隔材料係置於該電洞集電極與奈米結構化材料之間。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內。在一特定具體實例中，該奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。
在再又一具體實例中，本發明係提供一種光伏元件，例如太陽能電池。該元件具有基材，其具有基材表面區域。該元件具有多個奈米結構，其覆於該表面區域上方。該多個奈米結構具有範圍從約一奈米至約200奈米之形態尺寸。形態尺寸代表該多個奈米結構當中二或多者之間的距離特徵。該多個奈米結構當中二或多者具有範圍從約25至約500奈米的高度。半導體材料係覆於該多個奈米結構之表面區域上方且實質上填滿該多個奈米結構當中二或多者之間的距離，以形成一層半導體材料。該元件係具有由該層半導體材料所形成的半導體材料表面區域並具有計自該多個奈米結構當中二或多者的高度之分隔距離，以實質上覆蓋該多個奈米結構。該元件具有範圍從約50奈米至約2000奈米的厚度，該厚度係代表包括多個奈米結構與半導體材料之夾心式結構的特徵。
在一替代特定具體實例中，本發明係提供一種用於形成包含例如尤其是奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料之光伏奈米複合材料的方法。該方法係包括提供第一奈米結構化材料，其上具有多個第一奈米結構。該方法包括使多個第一奈米結構經受具有具流體特徵之多個第二奈米結構的流體，以致使形成由該多個第一奈米結構及該流體所形成之第二奈米結構化材料提供的互混區，俾使互混區的特徵為該多個第一奈米結構和第二奈米結構化材料有實質接觸。該方法包括使用一或多個製程處理包括該互混區之第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料，以提供代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢，特徵以及代表第二奈米結構化材料特徵的第二電子親和力與第二游離電勢特徵。在一特定具體實例中，第一電子親和力係小於第二電子親和力且第一游離電勢係小於第二游離電勢。在一特定具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
在一替代具體實例中，本發明係提供一種用於形成包含例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料之光伏奈米複合材料的方法。在一特定具體實例中，本發明係包括提供透明基材構件，其具有一表面區域。該方法包括形成覆於該表面區域上方之透明電極構件。該方法亦包括形成覆於該透明電極構件上方之第一奈米結構化材料。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料具有位於其上之多個第一奈米結構以及第一奈米結構化材料之第一表面區域。該方法亦包括使第一奈米結構化材料之第一表面區域經受一或多種具有具流體特徵之多個第二奈米結構的流體，以致使形成由該多個第一奈米結構及該一或多種流體所形成之第二奈米結構化材料提供的互混區，俾使互混區的特徵為該多個第一奈米結構和第二奈米結構化材料有實質接觸。在一特定具體實例中，該方法亦包括使用一或多個製程處理包括該互混區之第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料，以提供代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢，以及代表第二奈米結構化材料特徵的第二電子親和力與第二游離電勢。在一較佳具體實例中，第一游離電勢係小於第二游離電勢且第一電子親和力係小於第二電子親和力。在一較佳具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。在一較佳具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或各者的特徵為針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。該方法包括形成覆於第二奈米結構化材料上方之電極。
視特定具體實例而定，亦可包括該等特徵之一或多者。本案技術提供一種依據以奈米科技為基礎之習用技術的簡易使用製程。根據一特定具體實例，該類以奈米科技為基礎的材料及方法帶來較高的轉換效率及經改良之加工。在一些具體實例中，該方法可提供將陽光轉成電力的較高轉換效率。視具體實例而定，根據本發明所得之太陽能電池的效率可為約百分之10或百分之20或更高。此外，該方法提供一種相容於習用製程技術而毋需實質變更習用設備與製程的方法。在一特定具體實例中，本案方法與結構亦可使用大規模製造技術提供，其降低和光伏元件之製造有關的成本。在另一特定具體實例中，本案方法與結構亦可使用以溶液為主之加工提供。視具體實例而定，可達成該等好處的一或多者。該等及其他好處將於本案說明書通篇且尤其於下文中加以說明。
本發明的各種附加目標、特徵及優點可參照以下詳細說明與附圖來更完整地體會。
根據本發明之具體實例，提供有關光伏材料的技術。更詳細言之，本發明係提供一種使用包括第IV族材料(例如矽、鍺、矽－鍺合金)、金屬氧化物、和金屬硫化物之薄膜製程製造光伏材料的方法與結構。僅供舉例，本案方法與結構已使用奈米結構化形態實行，但將認知到本發明可具有其他形態。本發明具體實例的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第1圖係例示根據本發明一具體實例之用於光伏元件的奈米結構化材料的簡圖100。此圖僅為一個例子，其不應過度地限制本案申請專利範圍之範圍。具本領域一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。所顯示的是由包含例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料之奈米複合奈米結構化材料製成的光伏元件。在一特定具體實例中，該元件包括基材構件101。基材構件係包括上覆表面區域。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體或半導體，包括該等的任何組合及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金或該等的任何組合及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺合金、第III/V族或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該光伏元件包括覆蓋於基材構件之表面區域上方的電極結構。在一特定具體實例中，該電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括第一奈米結構化材料105，其係覆於電極構件之表面區域上方。在一較佳具體實例中，第一奈米結構化材料係物理暨電性耦合並連接至電極構件的表面區域。根據一特定具體實例，該元件亦包括第二奈米結構化材料107，其覆於第一奈米結構化材料上方。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料形成互混區，其已於本案說明書通篇且更尤其是下文中說明。根據一特定具體實例，第二奈米結構化材料具有平面的表面區域。視具體實例而定，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料包含多個奈米結構，該多個奈米結構係選自於奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，該等的任何組合以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，各奈米結構化材料係由適宜的複合物、均質材料或異質材料，包括疊層材料、分級材料、以及類似者所製成。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料包含半導體材料，例如第IV族(例如矽、矽－鍺合金，鍺)、第II/VI族、第III/V族、該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，半導體材料可為無機半導體或有機半導體材料。在其他具體實例中，該等奈米結構化材料當中的一或二者可由金屬氧化物物種製成。作為一例子，用於第一奈米結構材料之金屬氧化物可為CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、該等的組合、以及類似者。在另一具體實例中，第一奈米結構材料可為金屬硫化物物種。僅為舉例，金屬硫化物物種可包括FeS2 、SnS、組合、以及類似者。在再一替代具體實例中，第一奈米結構材料可包含第IV族半導體材料。其一例可為金屬矽化物物種，例如FeSi2 及類似者。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在一特定具體實例中，第二奈米結構化材料包含金屬氧化物，例如ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 。在一替代具體實例中，第二奈米結構化材料可包含金屬硫化物，例如SnS2 、ZnS。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料可選自於Si、Ge、ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、Fe3 O4 、包括組合、以及類似者。在其他一般具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於金屬硫化物，例如Cu2 S、FeS、FeS2 、或SnS。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在其他具體實例中，奈米結構化材料可具有使用一或多種材料之特定空間形態。作為一例子，第一奈米結構化材料包含奈米柱，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、及金屬氧化物、以及類似者。在一替代具體實例中，第一奈米結構化材料包含選自於Si、Ge、SiGe合金之奈米柱。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料包含選自於ZnO、FeO、Fe2 O3 、CuO、Cu2 O之奈米柱。在某些具體實例中，第一奈米結構材料可包含奈米結構化金屬硫化物，例如FeS2 、SnS或其他。第一奈米結構材料可包含含有第IV族半導體物種(例如FeSi2 )、以及類似者之半導體材料。在再其他具體實例中，第一奈米結構化材料包含選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、以及金屬氧化物之奈米管。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。在其他的替代具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料，第二奈米結構化材料則包含了包含金屬氧化物的奈米柱。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在其他具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，第二奈米結構化材料則包含了包含ZnO的奈米柱。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料，第二奈米結構化材料則包含了包含金屬氧化物的奈米管。根據一特定具體實例，第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，第二奈米結構化材料則包含了包含TiO2 的奈米管。或者，第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，第二奈米結構化材料則包含奈米結構化金屬硫化物，例如SnS2 、ZnS。在一替代具體實例中，第一奈米結構化材料包含無機半導體，第二奈米結構化材料包含有機半導體。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件亦具有提供於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間的互混區111，其可包括第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料。視具體實例而定，該互混區可具有特定空間尺寸。作為一例子，互混區的厚度範圍從約1 nm至約5000 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約5000 nm。在另一具體實例中，互混區的厚度範圍從約1 nm至約1000 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約1000 nm。更進一步的是，互混區的厚度範圍從約1 nm至約500 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約500 nm。或者，互混區的厚度範圍從約1 nm至約100 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約100 nm。在其他具體實例中，互混區的厚度範圍從約1 nm至約50 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約50 nm。或者，互混區的厚度範圍從約1 nm至約50 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約10 nm。在其他具體實例中，互混區的厚度範圍從約1 nm至約50 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約5 nm。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，互混區具有包括第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之介面區。亦即，如顯示般，根據一特定具體實例，該介面區實質上物理暨電性接觸第一奈米結構材料與第二奈米結構材料。在一較佳具體實例中，該介面區可為包括第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之整合結構。或者，根據另一具體實例，該介面區可為彼此接觸的兩個分隔結構。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
參照第1A圖，例示根據本發明一具體實例之第1圖元件的互混區。此圖僅為一例，其不應過度地限制本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知許多變化、替代選擇及修飾。如顯示般，互混區150包括來自第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料各者的奈米結構化材料。在一特定具體實例中，互混區實際上包括來自各奈米結構化材料的互混奈米結構。或者，根據一特定具體實例，互混區可包括一隔開各奈米結構化材料的介面區。亦即，根據一特定具體實例，互混區可包括各奈米結構化材料的一或多個部分及/或為各奈米結構化材料全體。當然，具本技術一般技能之人士將認知許多變化、修飾及替代選擇。此外，本案所說明的介面區可在一或多個或所有本案所說明的具體實例及本專利說明書通篇中實施。
在一特定具體實例中，元件亦具有代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢。根據一特定具體實例，第二電子親和力與第二游離電勢代表第二奈米結構化材料的特徵。在一較佳具體實例中，第一電子親和力係小於第二電子親和力，第一游離電勢係小於第二游離電勢，而且根據一較佳具體實例，第二電子親和力係小於第一游離電勢。在一較佳具體實例中，該材料亦具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有代表各奈米結構化材料之特徵的特定電子親和力與游離電勢。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少100 meV。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少300 meV。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少500 meV。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料的特徵係在於能帶間隙。根據一特定具體實例，奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.0 eV至約2.0 eV的範圍內。在另一特定具體實例中，奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.2 eV至約1.8 eV的範圍內。或者，奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.3 eV至約1.6 eV的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料亦具有載子遷移率。根據一特定具體實例，奈米結構化材料之一的載子遷移率係介於約10－6 cm2 /V－s至約5000 cm2 /V－s的範圍內。在另一具體實例中，奈米結構化材料之一的載子遷移率係介於約10－3 cm2 /V－s至約1000 cm2 /V－s的範圍內。在其他具體實例中，奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約1 cm2 /V－s至約100 cm2 /V－s的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，如顯示般，元件具有藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的正電荷載子與負電荷載子，該等正電荷載子與負電荷載子於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間的介面分開。負電荷載子係於具較大電子親和力之奈米結構化材料內傳輸且正電荷載子係於具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。在一特定具體實例中，該等電荷載子係於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料內部歷經大多數的載子傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆蓋於第二奈米結構化材料表面區域上方的電極結構109。在一特定具體實例中，該電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。本案元件之製造方式的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
根據本發明一具體實例之用以形成用於光伏元件之奈米複合奈米結構化材料的方法係簡單說明於下。
1.提供基材(例如玻璃)，其包括一表面區域；2.清潔(例如RCA、音波、超音波)該表面區域；3.形成覆於該表面區域上方之電極層；4.形成覆於該電極層上方之第一奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)；5.形成覆於該第一奈米結構化材料上方之第二奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)，俾使第一奈米結構化材料和第二奈米結構化材料互混；6.致使互混區形成，其提供於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間；7.處理至少該互混區，以提供第一奈米結構化材料處於第一電子親和力與第一游離電勢；8.處理至少該互混區，以提供第二奈米結構化材料處於第二電子親和力與第二游離(視特定具體實例而定，步驟7與8可同時及/或重疊)；9.形成層覆於該第二奈米結構化材料上方之電極；10.視需要執行其他步驟；以及11.提供包括互混區之光伏元件，俾使第一電子親和力小於第二電子親和力且第一游離電勢小於第二游離電勢以及俾使針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數係代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
上述步驟順序係提供一種根據本發明一具體實例的方法。如顯示般，該方法使用包括根據本發明一具體實例形成用於光伏應用之奈米複合奈米結構化材料之方式的步驟組合。在不悖離本案申請範圍的範圍之下，亦可提供其他替代選擇，其中係添加步驟、移除一或多個步驟、或者一或多個步驟以不同先後次序提供。根據一特定具體實例之本案方法的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第2圖至第6圖係例示根據本發明一具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的方法的簡圖。此圖僅為一例，其不應過度地限制本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。如顯示般，本案方法係藉由提供包括表面區域201之基材200開始。基材構件係包括上覆表面區域。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體、或半導體，包括該等的任何組合、複合物、及疊層、以及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷、或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金、有機材料、或該等的任何組合、以及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺合金、鍺、第III/V族、或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
再次參照第2圖，該方法包括使用一或多種適宜技術清潔表面區域的清潔方法。在一特定具體實例中，清潔方法可包括濕式及/或乾式清潔技術。該類濕式清潔技術的例子尤其是包括RCA清潔、濕浸、以溶劑(例如丙酮及/或醇類，例如異丙醇、乙醇)進行之有機沖洗、該等的任何組合及類似者。該清潔方法亦可包括超潔淨水，例如去離子水及/或實質上不含顆粒的水。在其他具體實例中，清潔方法可包括電漿清潔法，其係使用氧化物及/或惰性氣體物種，例如氮、氬、和其他適宜氣體、以及類似者。一旦清潔完成，該表面區域係實質上不含微粒、有機汙染物、金屬、以及其他化學物，包括該等的組合。當然，具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。
現在參照第3圖，該方法包括形成覆於表面區域上方之電極層301。在一些具體實例中，電極層可藉由習用沈積方法形成，例如濺鍍、蒸鍍、以及溶液沈積。如顯示般，電極層係覆於基材構件之表面區域上方。在一特定具體實例中，電極層可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透光電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
任擇地，本案方法可包括形成電極層之後的清潔方法。在一特定具體實例中，清潔方法可包括濕式及/或乾式清潔技術。該類濕式清潔技術的例子尤其是包括RCA清潔、濕浸、以溶劑(例如丙酮及/或醇類，例如異丙醇、乙醇)進行之有機沖洗、該等的任何組合及類似者。該清潔亦可包括超潔淨水，例如去離子水及/或實質上不含顆粒的水。在其他具體實例中，清潔方法可包括電漿清潔法，其係使用氧化物及/或惰性氣體物種，例如氮、氬、和其他適宜氣體、以及類似者。一旦清潔完成，該表面區域係實質上不含微粒、有機汙染物、金屬、以及其他化學物，包括該等的組合。在一較佳具體實例中，該方法係於發生任何電極層污染之前進行後續的沈積製程。當然，具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該方法係形成覆於電極層上方之第一奈米結構化材料401。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料係位於電極層上且物理暨電性接觸電極層。現在參照第5圖，該方法係形成覆於該第一奈米結構化材料上方之第二奈米結構化材料501(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料、以及其他)，俾使第一奈米結構化材料和第二奈米結構化材料互混。
在一特定具體實例中，奈米結構化材料可具有特定幾何形狀及/或尺寸。該材料尤其可包括奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，包括該等的組合、以及類似者。在一特定具體實例中，該方法可形成某些種類的奈米結構化材料，例如奈米孔洞、奈米柱、奈米管、奈米顆粒，該等的任何組合、以及其他。奈米結構化材料之形成方式的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
再次參照第5圖，該方法形成提供於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間的互混區503。在一特定具體實例中，該互混區係經處理，以提供第一奈米結構化材料處於第一電子親和力與第一游離電勢且第二奈米結構化材料處於第二電子親和力與第二游離。視具體實例而定，該方法可分別或同時處理該兩個結構，以提供包括互混區之光伏元件，俾使第一電子親和力小於第二電子親和力。在一較佳具體實例中，第一游離電勢係小於第二游離電勢。在一較佳具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。此外，根據一較佳具體實例，該元件係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
參照第6圖，該方法形成覆於第二奈米結構化材料上方之電極層601。如顯示般，電極結構係覆於基材構件之表面區域上方。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。視具體實例而定，可執行其他步驟。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
上述步驟順序係提供一種根據本發明一具體實例的方法。如顯示般，該方法係使用包括根據本發明一具體實例形成用於光伏應用之奈米複合奈米結構化材料之方式的步驟組合。在不悖離本案申請範圍的範圍之下，亦可提供其他替代選擇，其中係添加步驟、移除一或多個步驟、或者一或多個步驟以不同先後次序提供。根據另一特定具體實例之本案方法與結構的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第7圖係例示根據本發明一具體實例用於光伏元件之另一奈米結構化材料700的簡圖。此圖僅為一例，其不應過度地限制本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。所顯示的是由奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)製成的光伏元件。在一特定具體實例中，該元件包括基材構件701。基材構件係包括上覆表面區域。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體、或半導體，包括該等的任何組合及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷、或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金、或該等的任何組合、以及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺合金、鍺、第III/V族、或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該光伏元件係包括電極結構703，其係覆於基材構件之表面區域上方。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，該元件具有上覆電子傳輸/電洞阻隔材料705。在一特定具體實例中，該材料具有促進電子傳輸、同時亦阻隔電洞傳輸的適宜性質。如顯示般，電子傳輸/電洞阻隔材料係覆於電極703上方，該電極較佳為透明的。此外，根據一特定具體實例，基材亦為透光的。或者，根據一特定具體實例，電極及基材不是透明的且亦可包括反射材料，其使得電磁輻射可反射至光伏材料的活化區。僅為舉例，電子傳輸/電洞阻隔材料可為無機半導體、金屬氧化物、有機半導體、或任何其他適宜材料、包括材料組合、疊層材料、以及類似者。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料可為金屬氧化物，包括但不限於：ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 、其他金屬氧化物、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電子傳輸/電洞阻隔材料705上方之第一奈米結構化材料751，亦見元件符號750，其將互混區709放大。在一較佳具體實例中，第一奈米結構化材料係電性耦合至電極構件的表面區域。根據一特定具體實例，該元件亦包括覆於第一奈米結構化材料上方之第二奈米結構化材料753。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料形成互混區，其已於本案說明書通篇且更尤其是下文中說明。根據一特定具體實例，第二奈米結構化材料具有平面的表面區域。視具體實例而定，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料係包含多個奈米結構，該多個奈米結構係選自於奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料、該等的任何組合、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，各奈米結構化材料係由適宜的複合物、均質材料、或異質材料，包括疊層材料、分級材料、以及類似者所製成。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料包含半導體材料，例如第IV族(例如矽、矽－鍺合金、鍺)、第II/VI族、第III/V族、該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，半導體材料可為無機半導體或有機半導體材料。在其他具體實例中，該等奈米結構化材料當中的一或二者可由金屬氧化物物種製成。作為一例子，用於第一奈米結構材料的金屬氧化物可為CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、該等的組合、以及類似者。或者，第一奈米結構材料可由金屬硫化物物種製成。舉例來說，金屬硫化物物種可為FeS2 、SnS、該等之組合、或類似者。在另一具體實例中，第一奈米結構材料可為包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在一特定具體實例中，第二奈米結構化材料包含金屬氧化物，例如ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 。在一替代具體實例中，第二奈米結構化材料可包含金屬硫化物，例如SnS2 、ZnS及類似者。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料可選自於Si、Ge、ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、Fe3 O4 、Cu2 S、FeS，包括組合，以及類似者。在其他一般具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於金屬硫化物，例如Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在其他具體實例中，奈米結構化材料可具有使用一或多種材料之特定空間形態。作為一例子，第一奈米結構化材料係包含奈米柱，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、及金屬氧化物、以及類似者。在一替代具體實例中，第一奈米結構化材料包含選自於Si、Ge、SiGe合金之奈米柱。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料係包含選自於ZnO、FeO、Fe2 O3 、CuO、Cu2 O之奈米柱。第一奈米結構化材料可包含奈米結構化金屬硫化物，例如FeS2 、SnS。或者，第一奈米結構化材料可包括包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。在再其他具體實例中，第一奈米結構化材料係包含奈米管，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、以及金屬氧化物。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。在其他的替代具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料，以及第二奈米結構化材料包含了包含金屬氧化物的奈米柱。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在其他具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，第二奈米結構化材料則包含了包含ZnO的奈米柱。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、以及第二奈米結構化材料包含了包含金屬氧化物的奈米管。根據一特定具體實例，第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，第二奈米結構化材料則包含了包含TiO2 的奈米管。或者，第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，第二奈米結構化材料則包含奈米結構化金屬硫化物，例如SnS2 、ZnS。在另一具體實例中，第一奈米結構化材料係包含無機半導體，第二奈米結構化材料係包含有機半導體。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件亦具有互混區707，其可包括第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料且其係提供於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間。視具體實例而定，該互混區可具有特定空間尺寸。作為一例子，互混區的厚度範圍從約1 nm至約5000 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約5000 nm。在另一具體實例中，互混區的厚度範圍從約1 nm至約1000 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約1000 nm。更進一步的是，互混區的厚度範圍從約1 nm至約500 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約500 nm。或者，互混區的厚度範圍從約1 nm至約100 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約100 nm。在其他具體實例中，互混區的厚度範圍從約1 nm至約50 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約50 nm。或者，互混區的厚度範圍從約1 nm至約50 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約10 nm。在其他具體實例中，互混區的厚度範圍從約1 nm至約50 nm，代表互混特徵的空間距離範圍從約1 nm至約5 nm。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，互混區707具有包括第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之介面區。亦即，根據一特定具體實例，如顯示般，該介面區實質上物理暨電性接觸該第一奈米結構材料與第二奈米結構材料。在一較佳具體實例中，該介面區可為包括第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之整合結構。或者，根據一替代具體實例，該介面區可為彼此接觸的兩個分隔結構。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件亦具有代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢。根據一特定具體實例，第二電子親和力與第二游離電勢代表第二奈米結構化材料的特徵。在一較佳具體實例中，第一電子親和力係小於第二電子親和力且根據一較佳具體實例，第一游離電勢係小於第二游離電勢。在一較佳具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。在一較佳具體實例中，該材料亦具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有代表各奈米結構化材料之特徵的特定電子親和力與游離電勢。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少100 meV。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少300 meV。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少500 meV。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料的特徵係在於能帶間隙。根據一特定具體實例，奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.0 eV至約2.0 eV的範圍內。在另一特定具體實例中，奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.2 eV至約1.8 eV的範圍內。或者，該等奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.3 eV至約1.6 eV的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，該材料亦具有載子遷移率。根據一特定具體實例，奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約10－6 cm2 /V－s至約5000 cm2 /V－s的範圍內。在另一具體實例中，奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約10－3 cm2 /V－s至約1000 cm2 /V－s的範圍內。在其他具體實例中，奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約1 cm2 /V－s至約100 cm2 /V－s的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，如顯示般，元件具有藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的正電荷載子與負電荷載子，該等正電荷載子與負電荷載子於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間的介面分開。負電荷載子係於具較大電子親和力之奈米結構化材料內傳輸，且正電荷載子係於具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。在一特定具體實例中，該等電荷載子係於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料內部歷經大多數的載子傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，該元件具有上覆電洞傳輸/電子阻隔材料709。在一特定具體實例中，該電洞傳輸/電子阻隔材料具有促進電洞傳輸、同時亦阻隔電子傳輸的適宜性質。根據一特定具體實例，如顯示般，電洞傳輸/電子阻隔材料係覆於互混區上方且尤其覆於第二奈米結構化材料上方。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料可選自於金屬氧化物、第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、金屬硫化物、銅化合物、有機半導體、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於NiO、Cu2 O、Si、Ge、SiGe合金、Cu2 S、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間，其將於下文中更完整地說明。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸。在另一具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其已於前文說明。根據一特定具體實例，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電洞傳輸/電子阻隔材料的表面區域上方之電極結構711。在一特定具體實例中，該電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。本案元件之製造方式的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
根據本發明另一具體實例之用以形成用於光伏元件之奈米複合材料的方法係簡單說明於下。
1.提供基材(例如玻璃)，其包括一表面區域；2.清潔(例如RCA、音波、超音波)該表面區域；3.形成覆於該表面區域上方之電極層；4.形成覆於該電極層上方之電子傳輸/電洞阻隔材料；5.形成覆於該電子傳輸/電洞阻隔材料上方之第一奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)；6.形成覆於該第一奈米結構化材料上方之第二奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)，俾使第一奈米結構化材料和第二奈米結構化材料互混；7.致使互混區形成，其提供於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間；8.處理至少該互混區，以提供第一奈米結構化材料處於第一電子親和力與第一游離電勢；9.處理至少該互混區，以提供第二奈米結構化材料處於第二電子親和力與第二游離(視特定具體實例而定，步驟8與9可同時及/或重疊)；10.形成覆於該第二奈米結構化材料上方之電洞傳輸/電子阻隔材料；11.形成覆於該第二奈米結構化材料上方之電極層；12.視需要執行其他步驟；以及13.提供包括互混區之光伏元件，俾使第一電子親和力小於第二電子親和力且第一游離電勢小於第二游離電勢以及俾使針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
上述步驟順序係提供一種根據本發明一具體實例的方法。如顯示般，該方法係使用包括根據本發明一具體實例形成用於光伏應用之奈米複合奈米結構化材料以及電洞傳輸/阻隔材料與電子傳輸/阻隔材料之方式的步驟組合。在不悖離本案申請範圍的範圍之下，亦可提供其他替代選擇，其中係添加步驟、移除一或多個步驟、或者一或多個步驟以不同先後次序提供。根據一特定具體實例之本案方法的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第8圖至第13圖係例示根據本發明另一具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的另一方法的簡圖。此圖僅為一例，其不應過度地限制本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。如顯示般，本案方法係藉由提供包括表面區域801之基材800開始。基材構件包括上覆表面區域。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體、或半導體，包括該等的任何組合及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷、或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金、有機材料、或該等的任何組合、以及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺合金、鍺、第III/V族、或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
再次參照第8圖，該方法包括使用一或多種適宜技術清潔表面區域。在一特定具體實例中，清潔方法可包括濕式及/或乾式清潔技術。該類濕式清潔技術的例子尤其是包括RCA清潔、濕浸、以溶劑(例如丙酮及/或醇類，例如異丙醇、乙醇)進行之有機沖洗、該等的任何組合及類似者。該清潔亦可包括超潔淨水，例如去離子水及/或實質上不含顆粒的水。在其他具體實例中，清潔方法可包括電漿清潔法，其係使用氧化物及/或惰性氣體物種，例如氮、氬、和其他適宜氣體、以及類似者。一旦清潔完成，該表面區域係實質上不含微粒、有機汙染物、金屬、以及其他化學物，包括該等的組合。當然，具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。
現在參照第9圖，該方法包括形成覆於表面區域上方之電極層901。在一些具體實例中，電極層可藉由習用沈積方法形成，例如濺鍍、蒸鍍、以及溶液沈積。如顯示般，電極結構係覆於基材構件之表面區域上方。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
任擇地，本案方法可包括形成電極層之後的清潔方法。在一特定具體實例中，清潔方法可包括濕式及/或乾式清潔技術。該類濕式清潔技術的例子尤其是包括RCA清潔、濕浸、以溶劑(例如丙酮及/或醇類，例如異丙醇、乙醇)進行之有機沖洗、該等的任何組合及類似者。該清潔亦可包括超潔淨水，例如去離子水及/或實質上不含顆粒的水。在其他具體實例中，清潔方法可包括電漿清潔法，其係使用氧化物及/或惰性氣體物種，例如氮、氬、和其他適宜氣體、以及類似者。一旦清潔完成，該表面區域係實質上不含微粒、有機汙染物、金屬、以及其他化學物，包括該等的組合。在一較佳具體實例中，該方法係於發生任何電極層污染之前進行後續的沈積製程。當然，具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，該方法形成上覆電子傳輸/電洞阻隔材料1001，如第10圖所例示者。在一特定具體實例中，該材料具有促進電子傳輸、同時亦阻隔電洞傳輸的適宜性質。如顯示般，電子傳輸/電洞阻隔材料係覆於電極901上方，該電極較佳為透明的。此外，根據一特定具體實例，基材亦為透光的。或者，根據一特定具體實例，電極及基材不是透明的且亦可包括反射材料，其使得電磁輻射能反射至光伏材料的活化區。僅為舉例，電子傳輸/電洞阻隔材料可為無機半導體、金屬氧化物、有機半導體、或任何其他適宜材料，包括材料組合、疊層材料、以及類似者。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料可為金屬氧化物，包括但不限於：ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 、其他金屬氧化物、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該方法形成覆於該電極層上方之第一奈米結構化材料1101，如第11圖所例示者。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料係位於電極層上且物理暨電性接觸電極層。現在參照第12圖，該方法形成覆於該第一奈米結構化材料上方之第二奈米結構化材料1201(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)，俾使第一奈米結構化材料和第二奈米結構化材料互混。
在一特定具體實例中，奈米結構化材料可具有特定幾何形狀及/或尺寸。該材料可尤其包括奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料、包括該等的組合、以及類似者。在一特定具體實例中，該方法可形成某些種類的奈米結構化材料，例如奈米孔洞、奈米柱、奈米管、奈米顆粒、該等的任何組合、以及其他。該等奈米結構化材料之形成方式的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
再次參照第12圖，該方法形成由第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料提供之互混區1205。在一特定具體實例中，該互混區係經處理，以提供第一奈米結構化材料處於第一電子親和力與第一游離電勢且第二奈米結構化材料處於第二電子親和力與第二游離。視具體實例而定，該方法可分別或同時處理該等兩個結構，以提供包括互混區之光伏元件，俾使第一電子親和力小於第二電子親和力。在一較佳具體實例中，第一游離電勢係小於第二游離電勢。在一較佳具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。此外，根據一較佳具體實例，該元件係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
在一較佳具體實例中，該方法形成上覆電洞傳輸/電子阻隔材料1301，如第13圖所例示者。在一特定具體實例中，該材料具有促進電洞傳輸、同時亦阻隔電子傳輸的適宜性質。根據一特定具體實例，如顯示般，電洞傳輸/電子阻隔材料係覆於互混區上方且尤其覆於第二奈米結構化材料上方。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料可選自於金屬氧化物，第IV族半導體材料，第IV－IV族半導體材料、金屬硫化物、銅化合物、有機半導體、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於NiO、Cu2 O、Si、Ge、SiGe合金、Cu2 S、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間，其將於下文中更完整地說明。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸。在一替代具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其已於前文說明。根據一特定具體實例，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
再次參照第13圖，該方法形成覆於該第二奈米結構化材料上方之電極層1305。根據一特定具體實例，如顯示般，電極結構係覆於電洞傳輸/電子阻隔材料的表面區域上方。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。視具體實例而定，可進行其他步驟。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
上述步驟順序係提供一種根據本發明一具體實例的方法。如顯示般，該方法使用包括根據本發明一具體實例形成用於光伏應用之奈米複合材料之方式的步驟組合。在不悖離本案申請範圍的範圍之下，亦可提供其他替代選擇，其中係添加步驟、移除一或多個步驟、或者一或多個步驟以不同先後次序提供。根據替代特定具體實例之本案方法與結構的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第14圖係例示根據本發明一具體實例用於光伏元件之另一替代奈米結構化材料1400的簡圖。此圖僅為一例，其不應過度地限制本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。所顯示的是由奈米結構化材料(包含例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)製成的光伏元件。在一特定具體實例中，該元件係包括基材構件1401。該基材構件係包括上覆表面區域。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體、或半導體，包括該等的任何組合及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷、或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金、或該等的任何組合、以及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺合金、鍺、第III/V族、或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該光伏元件包括覆於基材構件之表面區域上方之電極結構1403。在一特定具體實例中，該電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，元件具有上覆電子傳輸/電洞阻隔材料1405。在一特定具體實例中，該材料具有促進電子傳輸、同時亦阻隔電洞傳輸的適宜性質。如顯示般，電子傳輸/電洞阻隔材料係覆於電極1403上方，該電極較佳為透明的。此外，根據一特定具體實例，基材亦為透光的。或者，根據一特定具體實例，電極及基材不是透明的且亦可包括反射材料，其使得電磁輻射能反射至光伏材料的活化區。在一較佳具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係以奈米結構化為主。亦即，該電子傳輸電洞阻隔材料可由包括但不限於下列的物理結構所構成：奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，包括組合、多層結構、以及類似者。當然，可以有變化、修飾及替代選擇。
此外，電子傳輸/電洞阻隔材料可由適宜物種製成。僅為舉例，電子傳輸/電洞阻隔材料可為無機半導體、金屬氧化物、有機半導體、或任何其他適宜材料，包括材料組合、疊層材料、以及類似者。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料可為金屬氧化物，包括但不限於：ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 、其他金屬氧化物、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電子傳輸/電洞阻隔材料1405上方之奈米結構化材料1407。在一較佳具體實例中，奈米結構化材料係電性耦合至電極構件的表面區域。根據一特定具體實例，該奈米結構化材料具有平面的表面區域。視具體實例而定，奈米結構化材料包含多個奈米結構，該多個奈米結構係選自於奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料、該等的任何組合、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，奈米結構化材料係由適宜的複合物、均質材料、或異質材料，包括疊層材料、分級材料、以及類似者所製成。在一特定具體實例中，奈米結構化材料包含半導體材料，例如第IV族(例如矽、矽－鍺合金，鍺)、第II/VI族、第III/V族、該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，半導體材料可為無機半導體或有機半導體材料。在其他具體實例中，該材料可由金屬氧化物物種所組成。作為一例子，該金屬氧化物可為ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、該等的組合、以及類似者。在其他一般具體實例中，奈米結構化材料係選自於金屬硫化物，例如Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS、該等的組合、以及類似者。或者，奈米結構化材料可為包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在其他具體實例中，該奈米結構化材料可具有使用一或多種材料之特定空間形態。作為一例子，奈米結構化材料包含奈米柱，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、及金屬氧化物、以及類似者。在另一具體實例中，奈米結構化材料包含選自於Si、Ge、SiGe合金之奈米柱。在其他具體實例中，奈米結構化材料包含選自於ZnO、FeO、Fe2 O3 、CuO、Cu2 O之奈米柱。在再其他具體實例中，奈米結構化材料包含奈米管，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、以及金屬氧化物。在其他具體實例中，奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。或者，奈米結構化材料可包含奈米結構金屬硫化物，例如FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS、以及其他。又或者，奈米結構化材料可包括包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
視具體實例而定，該奈米結構化材料可具有某些空間尺寸。作為一例子，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約5000 nm。在一替代具體實例中，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約1000 nm。更進一步的是，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約500 nm。或者，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約100 nm。在其他具體實例中，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約50 nm。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件亦具有代表奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢。根據一特定具體實例，第二電子親和力與第二游離電勢代表電子傳輸/電洞阻隔材料的特徵，而且第三電子親和力與第三游離電勢代表電洞傳輸/電子阻隔材料的特徵。在一較佳具體實例中，第三電子親和力與第三游離電勢係分別小於第一電子親和力與第一游離電勢，而且第一電子親和力與第一游離電勢係分別小於第二電子親和力與第二游離電勢。在一較佳具體實例中，第二電子親和力係小於第三游離電勢。在一較佳具體實例中，該奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有代表奈米結構材料以及各載子傳輸/載子阻隔材料特徵的特定電子親和力與游離電勢。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少100 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少100 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢至少大300 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少300 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料的特徵係在於能帶間隙。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.0 eV至約2.0 eV的範圍內。在一替代特定具體實例中，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.2 eV至約1.8 eV的範圍內。或者，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.3 eV至約1.6 eV的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，材料亦具有載子遷移率。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－6 cm2 /V－s至約5000 cm2 /V－s的範圍內。在一具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－3 cm2 /V－s至約1000 cm2 /V－s的範圍內。在其他具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約1 cm2 /V－s至約100 cm2 /V－s的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，如顯示般，元件具有藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的正電荷載子與負電荷載子，該等正電荷載子與負電荷載子係於奈米結構化材料與電子傳輸/電洞阻隔材料之間的介面分開，且根據一特定具體實例，係於奈米結構化材料與電洞傳輸/電子阻隔材料之間的介面分開。負電荷載子係於具較大電子親和力之奈米結構化材料內傳輸，且正電荷載子係於具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。在一特定具體實例中，該等電荷載子係於電子傳輸/電洞阻隔材料與電洞傳輸/電子阻隔材料內部歷經大多數的載子傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，元件具有上覆電洞傳輸/電子阻隔材料1409。在一特定具體實例中，該材料具有促進電洞傳輸、同時亦阻隔電子傳輸的適宜性質。根據一特定具體實例，如顯示般，電洞傳輸/電子阻隔材料係覆於奈米結構化材料上方。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料可選自於金屬氧化物、第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、金屬硫化物、銅化合物、有機半導體、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於NiO、Cu2 O、Si、Ge、SiGe合金、Cu2 S、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間，其將於下文中更完整地說明。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸。在另一具體實例中，該電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其已於前文說明。根據一特定具體實例，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電洞傳輸/電子阻隔材料的表面區域上方之電極結構1411。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。本案元件之製造方式的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
根據本發明另一具體實例之用以形成用於光伏元件之奈米複合材料的方法係簡單說明於下。
1.提供基材(例如玻璃)，其包括一表面區域；2.清潔(例如RCA、音波、超音波)該表面區域；3.形成覆於該表面區域上方之電極層；4.形成覆於該電極層上方之電子傳輸/電洞阻隔材料；5.形成覆於該電子傳輸/電洞阻隔材料上方之奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)；6.形成覆於該奈米結構化材料上方之電洞傳輸/電子阻隔材料；7.形成覆於該電洞傳輸/電子阻隔材料上方之電極層；8.視需要執行其他步驟；以及9.提供光伏元件，其具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數，其代表至少該奈米結構化材料的特徵。
上述步驟順序係提供一種根據本發明一具體實例的方法。如顯示般，該方法係使用包括根據本發明一具體實例形成用於光伏應用之奈米複合奈米結構化材料以及電洞傳輸/阻隔材料與電子傳輸/阻隔材料之方式的步驟組合。在不悖離本案申請範圍的範圍之下，亦可提供其他替代選擇，其中係添加步驟、移除一或多個步驟、或者一或多個步驟以不同先後次序提供。根據一特定具體實例之本案方法的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第15圖至第18圖係例示根據本發明另一具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的再一替代方法的簡圖。該等圖示僅為舉例，其不應過度侷限本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。如顯示般，本案方法係藉由提供包括表面區域1502之基材1501開始。該基材構件包括一上覆表面區域。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體、或半導體，包括該等的任何組合及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷、或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金、有機材料、或該等的任何組合、以及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺合金、鍺、第III/V族、或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該方法包括使用一或多種適宜技術清潔表面區域。在一特定具體實例中，清潔方法可包括濕式及/或乾式清潔技術。該類濕式清潔技術的例子尤其是包括RCA清潔、濕浸、以溶劑(例如丙酮及/或醇類，例如異丙醇、乙醇)進行之有機沖洗、該等的任何組合及類似者。該清潔亦可包括超潔淨水，例如去離子水及/或實質上不含顆粒的水。在其他具體實例中，清潔方法可包括電漿清潔法，其係使用氧化物及/或惰性氣體物種，例如氮、氬、和其他適宜氣體、以及類似者。一旦清潔完成，該表面區域係實質上不含微粒、有機汙染物、金屬、以及其他化學物，包括該等的組合。當然，具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。
再次參照第15圖，該方法包括形成覆於表面區域上方之電極層1503。在一些具體實例中，電極層可藉由習用沈積方法形成，例如濺鍍、蒸鍍、以及溶液沈積。如顯示般，電極結構係覆於基材構件之表面區域上方。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
任擇地，本案方法可包括形成電極層之後的清潔方法。在一特定具體實例中，清潔方法可包括濕式及/或乾式清潔技術。該類濕式清潔技術的例子尤其是包括RCA清潔、濕浸、以溶劑(例如丙酮及/或醇類，例如異丙醇、乙醇)進行之有機沖洗、該等的任何組合及類似者。該清潔方法亦可包括超淨水，例如去離子水及/或實質上不含顆粒的水。在其他具體實例中，清潔方法可包括電漿清潔法，其係使用氧化物及/或惰性氣體物種，例如氮、氬、和其他適宜氣體、以及類似者。一旦清潔完成，該表面區域係實質不含微粒、有機汙染物、金屬、以及其他化學物，包括該等的組合。在一較佳具體實例中，該方法係於發生任何電極層污染之前進行後續的沈積製程。當然，具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，該方法形成上覆電子傳輸/電洞阻隔材料1505，如第15圖所再次例示者。在一特定具體實例中，該材料具有促進電子傳輸、同時亦阻隔電洞傳輸的適宜性質。如顯示般，電子傳輸/電洞阻隔材料係覆於電極1503上方，該電極較佳為透明的。此外，根據一特定具體實例，基材亦為透光的。或者，根據一特定具體實例，電極及基材不是透明的且亦可包括反射材料，其使得電磁輻射能反射至光伏材料的活化區。僅為舉例，電子傳輸/電洞阻隔材料可為無機半導體、金屬氧化物、有機半導體、或任何其他適宜材料，包括材料組合、疊層材料、以及類似者。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料可為金屬氧化物，包括但不限於：ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 、其他金屬氧化物、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該光伏元件係包括覆於電子傳輸/電洞阻隔材料1505上方之奈米結構化材料1601，如第16圖所例示者。在一較佳具體實例中，奈米結構化材料係電性耦合至電極構件的表面區域。根據一特定具體實例，該奈米結構化材料具有平面的表面區域。視具體實例而定，奈米結構化材料包含多個奈米結構，該多個奈米結構係選自於奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，該等的任何組合、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，奈米結構化材料係由適宜的複合物、均質材料、或異質材料，包括疊層材料、分級材料、以及類似者所製成。在一特定具體實例中，奈米結構化材料包含半導體材料，例如第IV族(例如矽、矽－鍺合金，鍺)、第II/VI族、第III/V族、該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，半導體材料可為無機半導體或有機半導體材料。在其他具體實例中，該材料可由金屬氧化物物種所組成。作為一例子，該金屬氧化物可為ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、該等的組合、以及類似者。在其他一般具體實例中，奈米結構化材料係選自於金屬硫化物，例如Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS，或者，奈米結構材料可為包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在其他具體實例中，奈米結構化材料可具有使用一或多種材料之特定空間形態。作為一例子，奈米結構化材料包含奈米柱，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、及金屬氧化物、以及類似者。在一替代具體實例中，奈米結構化材料包含選自於Si、Ge、SiGe合金之奈米柱。在其他具體實例中，奈米結構化材料係包含選自於ZnO、FeO、Fe2 O3 、CuO、Cu2 O之奈米柱。在再其他具體實例中，奈米結構化材料係包含奈米管，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、以及金屬氧化物。在其他具體實例中，奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。或者，奈米結構化材料可包含奈米結構化金屬硫化物，例如FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS及類似者。在某些具體實例中，奈米結構化材料可包括包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
視具體實例而定，奈米結構化材料可具有某些空間尺寸。作為一例子，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約5000 nm。在一替代具體實例中，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約1000 nm。更進一步的是，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約500 nm。或者，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約100 nm。在其他具體實例中，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約50 nm。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件亦具有代表奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢。根據一特定具體實例，第二電子親和力與第二游離電勢代表電子傳輸/電洞阻隔材料的特徵，而且第三電子親和力與第三游離電勢代表電洞傳輸/電子阻隔材料的特徵。在一較佳具體實例中，第三電子親和力與第三游離電勢係分別小於第一電子親和力與第一游離電勢，而且第一電子親和力與第一游離電勢係分別小於第二電子親和力與第二游離電勢。在一較佳具體實例中，第二電子親和力係小於第三游離電勢。在一較佳具體實例中，奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有代表奈米結構材料以及各載子傳輸/載子阻隔材料特徵的特定電子親和力與游離電勢。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少100 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料電子親和力與游離電勢大至少100 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少300 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少300 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料的特徵係在於能帶間隙。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.0 eV至約2.0 eV的範圍內。在一替代特定具體實例中，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.2 eV至約1.8 eV的範圍內，或者，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.3 eV至約1.6 eV的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，該奈米結構化材料亦具有載子遷移率。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－6 cm2 /V－s至約5000 cm2 /V－s的範圍內。在一替代具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－3 cm2 /V－s至約1000 cm2 /V－s的範圍內。在其他具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約1 cm2 /V－s至約100 cm2 /V－s的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的正電荷載子與負電荷載子，該等正電荷載子與負電荷載子係於奈米結構化材料與電子傳輸/電洞阻隔材料之間的介面分開，且根據一特定具體實例，係於奈米結構化材料與電洞傳輸/電子阻隔材料之間的介面分開。負電荷載子係於具較大電子親和力之奈米結構化材料內傳輸，且正電荷載子係於具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。在一特定具體實例中，該等電荷載子係於電子傳輸/電洞阻隔材料與電洞傳輸/電子阻隔材料內部歷經大多數的載子傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，該方法形成上覆電洞傳輸/電子阻隔材料1701，如第17圖所例示者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料具有促進電洞傳輸、同時亦阻隔電子傳輸的適宜性質。根據一特定具體實例，如顯示般，電洞傳輸/電子阻隔材料係覆於奈米結構化材料上方。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料可選自於金屬氧化物、第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、金屬硫化物、銅化合物、有機半導體、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於NiO、Cu2 O、Si、Ge、SiGe合金、Cu2 S、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間，其將於下文中更完整地說明。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸。在另一具體實例中，該電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其已於前文說明。根據一特定具體實例，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
參照第18圖，該方法形成覆於電洞傳輸/電子阻隔材料的表面區域上方之電極層1703。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
上述步驟順序提供一種根據本發明一具體實例的方法。如顯示般，該方法係使用包括根據本發明一具體實例形成用於光伏應用之奈米複合奈米結構化材料以及電洞傳輸/阻隔材料與電子傳輸/阻隔材料之方式的步驟組合。在不悖離本案申請範圍的範圍之下，亦可提供其他替代選擇，其中係添加步驟、移除一或多個步驟、或者一或多個步驟以不同先後次序提供。根據一特定具體實例之本案方法的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第19圖係例示根據本發明一具體實例用於光伏元件之再一替代奈米結構化材料1900的簡圖。此圖僅為一例，其不應過度地限制本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。所顯示的是奈米結構化材料(包含例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)製成的光伏元件。在一特定具體實例中，該元件係包括基材構件1901。該基材構件係包括一上覆表面區域。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體、或半導體，包括該等的任何組合及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷、或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金、或該等的任何組合、以及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺合金、鍺、第III/V族、或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該光伏元件包括覆於基材構件之表面區域上方之電極結構1903。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，該元件具有上覆電子傳輸/電洞阻隔材料1905。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料具有促進電子傳輸、同時亦阻隔電洞傳輸的適宜性質。如顯示般，電子傳輸/電洞阻隔材料係覆於電極1903上方，該電極較佳為透明的。此外，根據一特定具體實例，基材亦為透光的。或者，根據一特定具體實例，電極及基材不是透明的且亦可包括反射材料，其使得電磁輻射能反射至光伏材料的活化區。在一較佳具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係以奈米結構化為主。亦即，電子傳輸電洞阻隔材料可由包括但不限於下列之物理結構製成：奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，包括組合、多層結構、以及類似者。當然，可以有變化、修飾及替代選擇。
此外，電子傳輸/電洞阻隔材料可由適宜物種製成。僅為舉例，電子傳輸/電洞阻隔材料可為無機半導體、金屬氧化物、有機半導體、或任何其他適宜材料，包括材料組合、疊層材料、以及類似者。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料可為金屬氧化物，包括但不限於：ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 、其他金屬氧化物、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該光伏元件係包括覆於電子傳輸/電洞阻隔材料1905上方之奈米結構化材料1907。在一較佳具體實例中，奈米結構化材料係電性耦合至電極構件的表面區域。根據一特定具體實例，奈米結構化材料具有平面的表面區域。視具體實例而定，奈米結構化材料包含多個奈米結構，該多個奈米結構係選自於奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，該等的任何組合、以及類似者。在一較佳具體實例中，奈米結構化材料很薄並符合電子傳輸/電洞阻隔材料的表面。在一特定具體實例中，奈米結構化材料為小於約50 nm之半導體材料，例如矽、矽鍺。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，奈米結構化材料係由適宜的複合物、均質材料、或異質材料，包括疊層材料、分級材料、以及類似者所製成。在一特定具體實例中，奈米結構化材料係包含半導體材料，例如第IV族(例如矽、矽－鍺合金，鍺)第II/VI族、第III/V族、該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，半導體材料可為無機半導體或有機半導體材料。在其他具體實例中，該材料可由金屬氧化物物種所組成。作為一例子，該金屬氧化物可為ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、該等的組合、以及類似者。在其他一般具體實例中，奈米結構化材料係選自於金屬硫化物，例如Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS及類似者。或者，奈米結構化材料可為包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在其他具體實例中，奈米結構化材料可具有使用一或多種材料之特定空間形態。作為一例子，奈米結構化材料係包含奈米柱，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、及金屬氧化物、以及類似者。在一替代具體實例中，奈米結構化材料包含選自於Si、Ge、SiGe合金之奈米柱。在其他具體實例中，奈米結構化材料係包含選自於ZnO、FeO、Fe2 O3 、CuO、Cu2 O之奈米柱。在再其他具體實例中，奈米結構化材料係包含奈米管，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、以及金屬氧化物。在其他具體實例中，奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。在再一替代具體實例中，奈米結構化材料可包含奈米結構化金屬硫化物，舉例來說，尤其是FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
視具體實例而定，奈米結構化材料係符合電子阻隔/電洞傳輸材料的形態並可具有特定空間尺寸。作為一例子，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約100 nm。在一替代具體實例中，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約75 nm。更進一步的是，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約50 nm。或者，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約25 nm。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件亦具有代表奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢。根據一特定具體實例，第二電子親和力與第二游離電勢代表電子傳輸/電洞阻隔材料的特徵，第三電子親和力與第三游離電勢代表電洞傳輸/電子阻隔材料的特徵。在一較佳具體實例中，第三電子親和力與第三游離電勢係分別小於第一電子親和力與第一游離電勢，第一電子親和力與第一游離電勢係分別小於第二電子親和力與第二游離電勢，且第二電子親和力係小於第三游離電勢。在一較佳具體實例中，奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件係具有代表奈米結構材料以及各載子傳輸/載子阻隔材料特徵的特定電子親和力與游離電勢。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少100 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少100 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少300 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少300 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料的特徵係在於能帶間隙。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.0 eV至約2.0 eV的範圍內。在一替代特定具體實例中，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.2 eV至約1.8 eV的範圍內。或者，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.3 eV至約1.6 eV的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，該奈米結構化材料亦具有載子遷移率。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－6 cm2 /V－s至約5000 cm2 /V－s的範圍內。在另一具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－3 cm2 /V－s至約1000 cm2 /V－s的範圍內。在其他具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約1 cm2 /V－s至約100 cm2 /V－s的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，如顯示般，元件具有藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的正電荷載子與負電荷載子，該等正電荷載子與負電荷載子係於奈米結構化材料與電子傳輸/電洞阻隔材料之間的介面分開，且根據一特定具體實例，係於奈米結構化材料與電洞傳輸/電子阻隔材料之間的介面分開。負電荷載子係於具較大電子親和力之奈米結構化材料內傳輸，且正電荷載子係於具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。在一特定具體實例中，該等電荷載子係於電子傳輸/電洞阻隔材料與電洞傳輸/電子阻隔材料內部歷經大多數的載子傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，元件具有上覆電洞傳輸/電子阻隔材料1909。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料具有促進電洞傳輸、同時亦阻隔電子傳輸的適宜性質。根據一特定具體實例，如顯示般，電洞傳輸/電子阻隔材料係覆於奈米結構化材料上方。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料可選自於金屬氧化物、第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、金屬硫化物、銅化合物、有機半導體、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於NiO、Cu2 O、Si、Ge、SiGe合金、Cu2 S、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間，其將於下文中更完整地說明。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸。在另一具體實例中，該電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其已於前文說明。根據一特定具體實例，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電洞傳輸/電子阻隔材料的表面區域上方之電極結構1911。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極結構可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極結構可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透光電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。本案元件之製造方式的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
根據本發明另一具體實例之用以形成用於光伏元件之奈米複合材料的方法係簡單說明於下。
1.提供基材(例如玻璃)，其包括一表面區域；2.清潔(例如RCA、音波、超音波)該表面區域；3.形成覆於該表面區域上方之電極；4.形成覆於該電極層上方之電子傳輸/電洞阻隔材料；5.形成覆於該電子傳輸/電洞阻隔材料上方之共形奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)；6.形成覆於該奈米結構化材料上方之電洞傳輸/電子阻隔材料；7.形成覆於該電洞傳輸/電子阻隔材料上方之電極層；8.視需要執行其他步驟；以及9.提供一光伏元件，其係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數，其代表至少該奈米結構化材料的特徵。
上述步驟順序係提供一種根據本發明一具體實例的方法。如顯示般，該方法係使用包括根據本發明一具體實例形成用於光伏應用之奈米複合奈米結構化材料以及電洞傳輸/阻隔材料與電子傳輸/阻隔材料之方式的步驟組合。在不悖離本案申請範圍的範圍之下，亦可提供其他替代選擇，其中係添加步驟、移除一或多個步驟、或者一或多個步驟以不同先後次序提供。根據一特定具體實例之本案方法的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第20圖至第22圖係例示根據本發明一替代具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的再一替代方法的簡圖。該等圖示僅為舉例，其不應過度侷限本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。如顯示般，本案方法係藉由提供包括上覆表面區域2002之基材構件2001開始。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體、或半導體，包括該等的任何組合及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷、或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金、有機材料、或該等的任何組合、以及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺合金、鍺、第III/V族、或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該方法包括使用一或多種適宜技術清潔表面區域的清潔方法。在一特定具體實例中，清潔方法可包括濕式及/或乾式清潔技術。該類濕式清潔技術的例子尤其是包括RCA清潔、濕浸、以溶劑(例如丙酮及/或醇類，例如異丙醇、乙醇)進行之有機沖洗、該等的任何組合及類似者。該清潔方法亦可包括超潔淨水，例如去離子水及/或實質上不含顆粒的水。在其他具體實例中，清潔方法可包括電漿清潔法，其係使用氧化物及/或惰性氣體物種，例如氮、氬、和其他適宜氣體、以及類似者。一旦清潔完成，該表面區域係實質上不含微粒、有機汙染物、金屬、以及其他化學物，包括該等的組合。當然，具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。
再次參照第20圖，該方法包括形成覆於該表面區域上方之電極層2003。在一些具體實例中，電極層可藉由習用沈積方法形成，例如濺鍍、蒸鍍、以及溶液沈積。如顯示般，電極結構係覆於基材構件之表面區域上方。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
任擇地，本案方法可包括形成電極層之後的清潔方法。在一特定具體實例中，清潔方法可包括濕式及/或乾式清潔技術。該類濕式清潔技術的例子尤其是包括RCA清潔、濕浸、以溶劑(例如丙酮及/或醇類，例如異丙醇、乙醇)進行之有機沖洗、該等的任何組合及類似者。該清潔方法亦可包括超潔淨水，例如去離子水及/或實質上不含顆粒的水。在其他具體實例中，清潔方法可包括電漿清潔法，其係使用氧化物及/或惰性氣體物種，例如氮、氬、和其他適宜氣體、以及類似者。一旦清潔完成，該表面區域係實質上不含微粒、有機汙染物、金屬、以及其他化學物，包括該等的組合。在一較佳具體實例中，該方法係於發生任何電極層污染之前進行後續的沈積製程。當然，具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，該方法形成上覆電子傳輸/電洞阻隔材料2005，如第20圖所再次例示者。在一特定具體實例中，該材料具有促進電子傳輸、同時亦阻隔電洞傳輸的適宜性質。如顯示般，電子傳輸/電洞阻隔材料係覆於電極2003上方，該電極較佳為透明的。在一特定具體實例中，該電子傳輸/電洞阻隔材料為奈米結構化材料，如顯示般，其包括表面配置特徵(topography)2006。此外，根據一特定具體實例，基材亦為透光的。或者，根據一特定具體實例，電極及基材不是透明的且亦可包括反射材料，其使得電磁輻射能反射至光伏材料的活化區。僅為舉例，電子傳輸/電洞阻隔材料可為無機半導體、金屬氧化物、有機半導體、或任何其他適宜材料，包括材料組合、疊層材料、以及類似者。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料可為金屬氧化物，包括但不限於：ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 、其他金屬氧化物、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電子傳輸/電洞阻隔材料2005上方之奈米結構化材料2007，如第21圖所例示者。在一較佳具體實例中，奈米結構化材料係電性耦合至電極構件的表面區域。根據一特定具體實例，該奈米結構化材料具有非平面表面區域。視具體實例而定，奈米結構化材料包含多個奈米結構，該多個奈米結構係選自於奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，該等的任何組合、以及類似者。在一特定具體實例中，奈米結構化材料係符合電子傳輸/電洞阻隔材料的表面且未填滿電子傳輸/電洞阻隔材料之奈米結構化材料內部的孔隙。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，奈米結構化材料係由適宜的複合物、均質材料、或異質材料，包括疊層材料、分級材料、以及類似者所製成。在一特定具體實例中，奈米結構化材料包含半導體材料，例如第IV族(例如矽、矽－鍺合金、鍺)、第II/VI族、第III/V族、該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，半導體材料可為無機半導體或有機半導體材料。在其他具體實例中，該材料可由金屬氧化物物種所組成。作為一例子，該金屬氧化物可為ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、該等的組合、以及類似者。在其他一般具體實例中，奈米結構化材料係選自於金屬硫化物，例如Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS，該等之組合、以及類似者。或者，奈米結構化材料可為包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在其他具體實例中，奈米結構化材料可具有使用一或多種材料之特定空間形態。作為一例子，奈米結構化材料係包含奈米柱，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、及金屬氧化物、以及類似者。在另一具體實例中，奈米結構化材料包含選自於Si、Ge、SiGe合金之奈米柱。在其他具體實例中，奈米結構化材料包含選自於ZnO、FeO、Fe2 O3 、CuO、Cu2 O之奈米柱。在再其他具體實例中，奈米結構化材料係包含奈米管，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、以及金屬氧化物。在其他具體實例中，奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。在再一替代具體實例中，奈米結構化材料可包含奈米結構化金屬硫化物，例如尤其是FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS。或者，奈米結構化材料可包括包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
視具體實例而定，奈米結構化材料可具有某些空間尺寸。作為一例子，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約5000 nm。在另一具體實例中，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約1000 nm。更進一步的是，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約500 nm。或者，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約100 nm。在其他具體實例中，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約50 nm。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件亦具有代表奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢。根據一特定具體實例，第二電子親和力與第二游離電勢代表電子傳輸/電洞阻隔材料的特徵，第三電子親和力與第三游離電勢代表電洞傳輸/電子阻隔材料的特徵。在一較佳具體實例中，第三電子親和力與第三游離電勢係分別小於第一電子親和力與第一游離電勢，且第一電子親和力與第一游離電勢係分別小於第二電子親和力與第二游離電勢。在一較佳具體實例中，第二電子親和力係小於第三游離電勢。在一較佳具體實例中，奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有代表奈米結構材料以及各載子傳輸/載子阻隔材料特徵的特定電子親和力與游離電勢。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少100 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少100 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少300 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少300 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料的特徵係在於能帶間隙。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.0 eV至約2.0 eV的範圍內。在另一特定具體實例中，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.2 eV至約1.8 eV的範圍內。或者，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.3 eV至約1.6 eV的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料亦可具有載子遷移率。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－6 cm2 /V－s至約5000 cm2 /V－s的範圍內。在另一具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－3 cm2 /V－s至約1000 cm2 /V－s的範圍內。在其他具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約1 cm2 /V－s至約100 cm2 /V－s的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的正電荷載子與負電荷載子，該等正電荷載子與負電荷載子係於奈米結構化材料與電子傳輸/電洞阻隔材料之間的介面分開，且根據一特定具體實例，係於奈米結構化材料與電洞傳輸/電子阻隔材料之間的介面分開。負電荷載子係於具較大電子親和力之奈米結構化材料內傳輸，且正電荷載子係於具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。在一特定具體實例中，該等電荷載子係於電子傳輸/電洞阻隔材料與電洞傳輸/電子阻隔材料內部歷經大多數的載子傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，該方法形成上覆電洞傳輸/電子阻隔材料2201，如第22圖所例示者。在一特定具體實例中，該電洞傳輸/電子阻隔材料具有促進電洞傳輸、同時亦阻隔電子傳輸的適宜性質。根據一特定具體實例，如顯示般，電洞傳輸/電子阻隔材料係覆於奈米結構化材料上方。在一特定具體實例中，該材料係具有平面的表面區域，並填滿奈米結構化材料內的全部任何孔隙。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料可選自於金屬氧化物、第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、金屬硫化物、銅化合物、有機半導體、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於NiO、Cu2 O、Si、Ge、SiGe合金、Cu2 S、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間，其將於下文中更完整地說明。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸。在一替代具體實例中，該電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其已於前文說明。根據一特定具體實例，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
參照第22圖，該方法形成覆於電洞傳輸/電子阻隔材料表面區域上方之電極層2205。在一特定具體實例中，電極層可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
上述步驟順序係提供一種根據本發明一具體實例的方法。如顯示般，該方法係使用包括根據本發明一具體實例形成用於光伏應用之奈米複合奈米結構化材料以及電洞傳輸/阻隔材料與電子傳輸/阻隔材料之方式的步驟組合。在不悖離本案申請範圍的範圍之下，亦可提供其他替代選擇，其中係添加步驟、移除一或多個步驟、或者一或多個步驟以不同先後次序提供。根據一特定具體實例之本案方法與元件的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第23圖係例示根據本發明一具體實例用於光伏元件之再一替代奈米結構化材料2300的簡圖。此圖僅為一例，其不應過度地限制本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。所顯示的是由奈米結構化材料(包含例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)製成的光伏元件。在一特定具體實例中，該元件係包括基材構件2301。該基材構件係包括一上覆表面區域。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體、或半導體，包括該等的任何組合及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷、或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金、或該等的任何組合、以及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺合金、鍺、第III/V族、或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於基材構件之表面區域上方之電極結構2305。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透光電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，該元件具有上覆電子傳輸/電洞阻隔材料2307。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料具有促進電子傳輸、同時亦阻隔電洞傳輸的適宜性質。如顯示般，電子傳輸/電洞阻隔材料係覆於電極2305上方，該電極較佳為透明的。此外，根據一特定具體實例，基材亦為透光的。或者，根據一特定具體實例，電極及基材不是透明的且亦可包括反射材料，其使得電磁輻射能反射至光伏材料的活化區。在一較佳具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係以奈米結構化為主。亦即，該電子傳輸電洞阻隔材料可由包括但不限於下列之物理結構製成：奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，包括組合、多層結構、以及類似者。當然，可以有變化、修飾及替代選擇。
此外，電子傳輸/電洞阻隔材料可由適宜物種製成。僅為舉例，電子傳輸/電洞阻隔材料可為無機半導體、金屬氧化物、有機半導體、或任何其他適宜材料，包括材料組合、疊層材料、以及類似者。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料可為金屬氧化物，包括但不限於：ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 、其他金屬氧化物、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電子傳輸/電洞阻隔材料2307上方之奈米結構化材料2309。在一較佳具體實例中，奈米結構化材料係電性耦合至電極構件的表面區域。根據一特定具體實例，該奈米結構化材料係具有平面的表面區域。視具體實例而定，奈米結構化材料包含多個奈米結構，該多個奈米結構係選自於奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，該等的任何組合、以及類似者。在一較佳具體實例中，奈米結構化材料很薄並符合電子傳輸/電洞阻隔材料的表面。在一特定具體實例中，奈米結構化材料為小於約50 nm之半導體材料，例如矽、矽鍺。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，奈米結構化材料係由適宜的複合物、均質材料、或異質材料，包括疊層材料、分級材料、以及類似者所製成。在一特定具體實例中，奈米結構化材料係包含半導體材料，例如第IV族(例如矽、矽－鍺合金，鍺)、第II/VI族、第III/V族、該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，半導體材料可為無機半導體或有機半導體材料。在其他具體實例中，奈米結構化材料可由金屬氧化物物種製成。作為一例子，該金屬氧化物可為ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、該等的組合、以及類似者。在其他一般具體實例中，奈米結構化材料係選自於金屬硫化物，例如Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS、該等之組合及類似者。或者，該奈米結構材料可為包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料及類似者。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在其他具體實例中，奈米結構化材料可具有使用一或多種材料之特定空間形態。作為一例子，奈米結構化材料係包含奈米柱，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、及金屬氧化物、以及類似者。在一替代具體實例中，奈米結構化材料包含選自於Si、Ge、SiGe合金之奈米柱。在其他具體實例中，奈米結構化材料包含選自於ZnO、FeO、Fe2 O3 、CuO、Cu2 O之奈米柱。在再其他具體實例中，奈米結構化材料係包含奈米管，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、以及金屬氧化物。在其他具體實例中，奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。在某些具體實例中，奈米結構化材料可包括金屬硫化物，例如FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS、以及其他。或者，奈米結構化材料亦可包括包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料及其他。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
視具體實例而定，該奈米結構化材料係符合電子阻隔/電洞傳輸材料的形態並可具有特定空間尺寸。作為一例子，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約100 nm。在另一具體實例中，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約75 nm。更進一步的是，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約50 nm。或者，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約25 nm。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該元件亦具有代表奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢。根據一特定具體實例，第二電子親和力與第二游離電勢代表電子傳輸/電洞阻隔材料的特徵，而且第三電子親和力與第三游離電勢代表電洞傳輸/電子阻隔材料的特徵。在一較佳具體實例中，第三電子親和力與第三游離電勢係分別小於第一電子親和力與第一游離電勢，而且第一電子親和力與第一游離電勢係分別小於第二電子親和力與第二游離電勢。在一較佳具體實例中，第二電子親和力係小於第三游離電勢。在一較佳具體實例中，該奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有代表奈米結構材料以及各載子傳輸/載子阻隔材料特徵的特定電子親和力與游離電勢。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少100 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少100 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少300 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少300 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料的特徵係在於能帶間隙。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.0 eV至約2.0 eV的範圍內。在另一特定具體實例中，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.2 eV至約1.8 eV的範圍內。或者，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.3 eV至約1.6 eV的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料亦具有載子遷移率。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－6 cm2 /V－s至約5000 cm2 /V－s的範圍內。在一替代具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－3 cm2 /V－s至約1000 cm2 /V－s的範圍內。在其他具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約1 cm2 /V－s至約100 cm/V－s的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，如顯示般，元件具有藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的正電荷載子與負電荷載子，該等正電荷載子與負電荷載子係於奈米結構化材料與電子傳輸/電洞阻隔材料之間的介面分開，且根據一特定具體實例，係於奈米結構化材料與電洞傳輸/電子阻隔材料之間的介面分開。負電荷載子係於具較大電子親和力之奈米結構化材料內傳輸，且正電荷載子係於具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。在一特定具體實例中，該等電荷載子係於電子傳輸/電洞阻隔材料與電洞傳輸/電子阻隔材料內部歷經大多數的載子傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，該元件具有上覆電洞傳輸/電子阻隔材料2311。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料具有促進電洞傳輸、同時亦阻隔電子傳輸的適宜性質。根據一特定具體實例，如顯示般，電洞傳輸/電子阻隔材料係覆於奈米結構化材料上方。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料可選自於金屬氧化物、第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、金屬硫化物、銅化合物、有機半導體、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於NiO、Cu2 O、Si、Ge、SiGe合金、Cu2 S、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間，其將於下文中更完整地說明。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸。在一替代具體實例中，該電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其已於前文說明。根據一特定具體實例，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電洞傳輸/電子阻隔材料的表面區域上方之電極結構2313。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。本案元件之製造方式的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
根據本發明另一具體實例之用以形成用於光伏元件之奈米複合材料的方法係簡單說明於下。
1.提供基材(例如玻璃)，其包括一表面區域；2.清潔(例如RCA、音波、超音波)該表面區域；3.形成覆於該表面區域上方之電極；4.形成覆於該電極層上方之電子傳輸/電洞阻隔材料；5.形成覆於該電子傳輸/電洞阻隔材料上方之共形奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)；6.形成覆於該奈米結構化材料上方之電洞傳輸/電子阻隔材料；7.形成覆於該電洞傳輸/電子阻隔材料上方之電極層；8.視需要執行其他步驟；以及9.提供一光伏元件，其具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數，其代表至少該奈米結構化材料的特徵。
上述步驟順序係提供一種根據本發明一具體實例的方法。如顯示般，該方法係使用包括根據本發明一具體實例形成用於光伏應用之奈米複合奈米結構化材料以及電洞傳輸/阻隔材料與電子傳輸/阻隔材料之方式的步驟組合。在不悖離本案申請範圍的範圍之下，亦可提供其他替代選擇，其中係添加步驟、移除一或多個步驟、或者一或多個步驟以不同先後次序提供。根據一特定具體實例之本案方法的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第24圖至第25圖係例示根據本發明一替代具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的再一替代方法的簡圖。該等圖示僅為舉例，其不應過度侷限本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。如顯示般，本案方法係藉由提供包括表面區域2302之基材2301開始。該基材構件係包括一上覆表面區域。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體、或半導體，包括該等的任何組合及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷、或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金、有機材料、或該等的任何組合、以及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺合金、鍺、第III/V族、或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，方法包括使用一或多種適宜技術清潔表面區域的清潔方法。在一特定具體實例中，清潔方法可包括濕式及/或乾式清潔技術。該類濕式清潔技術的例子尤其是包括RCA清潔、濕浸、以溶劑(例如丙酮及/或醇類，例如異丙醇、乙醇)進行之有機沖洗、該等的任何組合及類似者。該清潔方法亦可包括超潔淨水，例如去離子水及/或實質上不含顆粒的水。在其他具體實例中，清潔方法可包括電漿清潔法，其係使用氧化物及/或惰性氣體物種，例如氮、氬、和其他適宜氣體、以及類似者。一旦清潔完成，該表面區域係實質上不含微粒、有機汙染物、金屬、以及其他化學物，包括該等的組合。當然，具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。
再次參照第24圖，該方法係包括形成覆於該表面區域上方之電極層2301。在一些具體實例中，電極層可藉由習用沈積方法形成，例如濺鍍、蒸鍍、以及溶液沈積。如顯示般，電極層係覆於基材構件之表面區域上方。在一特定具體實例中，電極層可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極層可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
任擇地，本案方法可包括形成電極層之後的清潔方法。在一特定具體實例中，清潔方法可包括濕式及/或乾式清潔技術。該類濕式清潔技術的例子尤其是包括RCA清潔、濕浸、以溶劑(例如丙酮及/或醇類，例如異丙醇、乙醇)進行之有機沖洗、該等的任何組合及類似者。該清潔方法亦可包括超潔淨水，例如去離子水及/或實質上不含顆粒的水。在其他具體實例中，清潔方法可包括電漿清潔法，其係使用氧化物及/或惰性氣體物種，例如氮、氬、和其他適宜氣體、以及類似者。一旦清潔完成，該表面區域係實質上不含微粒、有機汙染物、金屬、以及其他化學物，包括該等的組合。在一較佳具體實例中，該方法係於發生任何電極層污染之前進行後續的沈積製程。當然，具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，再次如第24圖所例示，該方法係形成上覆電子傳輸/電洞阻隔材料2305。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料具有促進電子傳輸、同時亦阻隔電洞傳輸的適宜性質。如顯示般，該電子傳輸/電洞阻隔材料係覆於電極2301上方，該電極較佳為透明的。在一特定具體實例中，該電子傳輸/電洞阻隔材料為奈米結構化材料，如顯示般，其包括平面的表面配置特徵。此外，根據一特定具體實例，基材亦為透光的。或者，根據一特定具體實例，電極及基材不是透明的且亦可包括反射材料，其使得電磁輻射能反射至光伏材料的活化區。僅為舉例，電子傳輸/電洞阻隔材料可為無機半導體、金屬氧化物、有機半導體、或任何其他適宜材料，包括材料組合、疊層材料、以及類似者。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料可為金屬氧化物，包括但不限於：ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 、其他金屬氧化物、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電子傳輸/電洞阻隔材料2307上方之奈米結構化材料2309，如第24圖所例示者。在一較佳具體實例中，奈米結構化材料係電性耦合至電極構件的表面區域。根據一特定具體實例，該奈米結構化材料具有平面的表面區域。視具體實例而定，奈米結構化材料包含多個奈米結構，該多個奈米結構係選自於奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，該等的任何組合、以及類似者。在一特定具體實例中，該奈米結構化材料係符合電子傳輸/電洞阻隔材料的表面且未填滿電子傳輸/電洞阻隔材料之奈米結構化材料內部的孔隙。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，奈米結構化材料係由適宜的複合物、均質材料、或異質材料，包括疊層材料、分級材料、以及類似者所製成。在一特定具體實例中，奈米結構化材料係包含半導體材料，例如第IV族(例如矽、矽－鍺合金、鍺)、第II/VI族、第III/V族、該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，半導體材料可為無機半導體或有機半導體材料。在其他具體實例中，該材料可由金屬氧化物物種所組成。作為一例子，該金屬氧化物可為ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、該等的組合、以及類似者。在其他一般具體實例中，奈米結構化材料係選自於金屬硫化物，例如Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS、該等之組合及類似者。或者，奈米結構材料可為包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在其他具體實例中，奈米結構化材料可具有使用一或多種材料之特定空間形態。作為一例子，奈米結構化材料係包含奈米柱，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、及金屬氧化物、以及類似者。在一替代具體實例中，奈米結構化材料包含選自於Si、Ge、SiGe合金之奈米柱。在其他具體實例中，奈米結構化材料係包含選自於ZnO、FeO、Fe2 O3 、CuO、Cu2 O之奈米柱。在再其他具體實例中，奈米結構化材料係包含奈米管，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、以及金屬氧化物。在其他具體實例中，奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。又或者，奈米結構化材料可包含奈米結構化金屬硫化物，尤其是例如FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS。奈米結構化材料亦可包括包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
視具體實例而定，奈米結構化材料可具有某些空間尺寸。作為一例子，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約5000 nm。在一替代具體實例中，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約1000 nm。更進一步的是，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約500 nm。或者，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約100 nm。在其他具體實例中，奈米結構化材料的厚度範圍從約1 nm至約50 nm。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件亦具有代表奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢。根據一特定具體實例，第二電子親和力與第二游離電勢代表電子傳輸/電洞阻隔材料的特徵，第三電子親和力與第三游離電勢代表電洞傳輸/電子阻隔材料的特徵。在一較佳具體實例中，第三電子親和力與第三游離電勢係分別小於第一電子親和力與第一游離電勢，第一電子親和力與第一游離電勢係分別小於第二電子親和力與第二游離電勢，而且第二電子親和力係小於第三游離電勢。在一較佳具體實例中，該奈米結構化材料係具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有代表奈米結構材料以及各載子傳輸/載子阻隔材料特徵的特定電子親和力與游離電勢。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少100 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少100 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少300 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少300 meV。在其他具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料的電子親和力與游離電勢係分別比奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV，而且奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比電洞傳輸/電子阻隔材料的電子親和力與游離電勢大至少500 meV。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料的特徵係在於能帶間隙。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.0 eV至約2.0 eV的範圍內。在另一特定具體實例中，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.2 eV至約1.8 eV的範圍內。或者，奈米結構化材料的能帶間隙係於約1.3 eV至約1.6 eV的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料亦具有載子遷移率。根據一特定具體實例，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－6 cm2 /V－s至約5000 cm2 /V－s的範圍內。在一替代具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約10－3 cm2 /V－s至約1000 cm2 /V－s的範圍內。在其他具體實例中，奈米結構化材料的載子遷移率、電子傳輸/電洞阻隔材料的電子遷移率、以及電洞傳輸/電子阻隔材料的電洞遷移率係於約1 cm2 /V－s至約100 cm2 /V－s的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的正電荷載子與負電荷載子，該等正電荷載子與負電荷載子係於奈米結構化材料與電子傳輸/電洞阻隔材料之間的介面分開，且根據一特定具體實例，係於奈米結構化材料與電洞傳輸/電子阻隔材料之間的介面分開。負電荷載子係於具較大電子親和力之奈米結構化材料內傳輸，且正電荷載子係於具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。在一特定具體實例中，該等電荷載子係於電子傳輸/電洞阻隔材料與電洞傳輸/電子阻隔材料內部歷經大多數的載子傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，該方法形成上覆電洞傳輸/電子阻隔材料2311，如第25圖所例示者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料具有促進電洞傳輸、同時亦阻隔電子傳輸的適宜性質。根據一特定具體實例，如顯示般，電洞傳輸/電子阻隔材料係覆於奈米結構化材料上方。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料具有平面的表面區域，並填滿奈米結構化材料內的全部任何孔隙。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料可選自於金屬氧化物、第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、金屬硫化物、銅化合物、有機半導體、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於NiO、Cu2 O、Si、Ge、SiGe合金、Cu2 S、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間，其將於下文中更完整地說明。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸。在一替代具體實例中，該電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其已於前文說明。根據一特定具體實例，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
參照第25圖，該方法形成覆於電洞傳輸/電子阻隔材料的表面區域上方之電極層2313。在一特定具體實例中，電極層可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極層可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極層可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
上述步驟順序係提供一種根據本發明一具體實例的方法。如顯示般，該方法係使用包括根據本發明一具體實例形成用於光伏應用之奈米複合奈米結構化材料以及電洞傳輸/阻隔材料與電子傳輸/阻隔材料之方式的步驟組合。在不悖離本案申請範圍的範圍之下，亦可提供其他替代選擇，其中係添加步驟、移除一或多個步驟、或者一或多個步驟以不同先後次序提供。根據一特定具體實例之本案方法的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第26圖係例示根據本發明一具體實例用於光伏元件之再一替代奈米結構化材料2600的簡圖。此圖僅為一例，其不應過度地限制本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。所顯示的是由奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)製成的光伏元件。在一特定具體實例中，該元件包括基材構件2601。該基材構件包括一上覆表面區域。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體、或半導體，包括該等的任何組合及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷、或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金、或該等的任何組合、以及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺、鍺、第III/V族、或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於基材構件之表面區域上方之電極結構2603。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極結構可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，該金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極結構可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透光的電極而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，光伏元件具有上覆電子傳輸/電洞阻隔材料2605。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料具有促進電子傳輸、同時亦阻隔電洞傳輸的適宜性質。如顯示般，電子傳輸/電洞阻隔材料係覆於電極2603上方，該電極較佳為透明的。此外，根據一特定具體實例，基材亦為透光的。或者，根據一特定具體實例，電極及基材不是透明的且亦可包括反射材料，其使得電磁輻射能反射至光伏材料的活化區。僅為舉例，電子傳輸/電洞阻隔材料可為無機半導體、金屬氧化物、有機半導體、或任何其他適宜材料，包括材料組合、疊層材料、以及類似者。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料可為金屬氧化物，包括但不限於：ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 、其他金屬氧化物、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電子傳輸/電洞阻隔材料705上方之第一奈米結構化材料2601。在一較佳具體實例中，第一奈米結構化材料係電性耦合至電極構件的表面區域。亦如顯示般，第一奈米結構化材料具有平面的表面區域。根據一特定具體實例，該元件亦包括覆於第一奈米結構化材料上方之第二奈米結構化材料2609。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料形成一介面區。根據一特定具體實例，第二奈米結構化材料具有平面的表面區域。視具體實例而定，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料包含多個奈米結構，該多個奈米結構係選自於奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，該等的任何組合、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，各奈米結構化材料係由適宜的複合物、均質材料、或異質材料，包括疊層材料、分級材料、以及類似者所製成。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料包含半導體材料，例如第IV族(例如矽、矽－鍺合金、鍺)、第II/VI族、第III/V族、該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，半導體材料可為無機半導體或有機半導體材料。在其他具體實例中，奈米結構化材料當中的一或二者可由金屬氧化物物種製成。作為一例子，用於第一奈米結構材料之金屬氧化物可為CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、該等的組合、以及類似者。在另一具體實例中，第一奈米結構材料可由金屬硫化物，例如FeS2 、SnS及類似者製成。第一奈米結構化材料可為包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在一特定具體實例中，第二奈米結構化材料包含金屬氧化物，例如ZnO、TiO2 、SnO2 、W O3 、Fe2 O3 。在另一具體實例中，第二奈米結構材料可包含金屬硫化物，例如SnS2 、ZnS及類似者。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料可選自於Si、Ge、ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、Fe3 O4 、Cu2 S、FeS，包括組合，以及類似者。在其他一般具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於金屬硫化物，例如Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS、組合、以及類似者。或者，第一奈米結構材料可包括包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在其他具體實例中，奈米結構化材料可具有使用一或多種材料之特定空間形態。作為一例子，第一奈米結構化材料包含奈米柱，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、及金屬氧化物、以及類似者。在另一具體實例中，第一奈米結構化材料包含選自於Si、Ge、SiGe合金之奈米柱。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料包含選自於ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 之奈米柱。在再其他具體實例中，第一奈米結構化材料係包含奈米管，其選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、以及金屬氧化物。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。在其他的替代具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料，第二奈米結構化材料則包含了包含金屬氧化物的奈米柱。在某些具體實例中，第一奈米結構化材料可包含奈米結構化金屬硫化物，例如FeS2 、SnS、以及類似者。第一奈米結構化材料亦可包括包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料、以及其他。第二奈米結構化材料可包含金屬硫化物，例如SnS2 、ZnS及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在其他具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，第二奈米結構化材料則包含了包含ZnO的奈米柱。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料，第二奈米結構化材料則包含了包含金屬氧化物的奈米管。根據一特定具體實例，第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，第二奈米結構化材料則包含了包含TiO2 的奈米管。在一替代具體實例中，第一奈米結構化材料係包含無機半導體，第二奈米結構化材料係包含有機半導體。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料可具有特定空間尺寸。作為一例子，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料的層厚度範圍從約1 nm至約5000 nm。在一替代具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料的層厚度範圍從約1 nm至約1000 nm。更進一步的是，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料的層厚度範圍從約1 nm至約500 nm。或者，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料的層厚度範圍從約1 nm至約100 nm。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料的層厚度範圍從約1 nm至約50 nm。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件亦具有提供於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間的介面區2608，其可包括第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料的一或多個部分。亦即，根據一特定具體實例，如顯示般，該介面區實質上物理暨電性接觸該第一奈米結構材料與第二奈米結構材料。在一較佳具體實例中，該介面區可為包括第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之整合結構。或者，根據一替代具體實例，該介面區可為彼此接觸的兩個分隔結構。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件亦具有代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢。根據一特定具體實例，第二電子親和力與第二游離電勢代表第二奈米結構化材料的特徵。在一較佳具體實例中，第一電子親和力係小於第二電子親和力，且根據一較佳具體實例，第一游離電勢係小於第二游離電勢。在一較佳具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。在一較佳具體實例中，該材料亦具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有代表各奈米結構化材料特徵的特定電子親和力與游離電勢。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少100 meV。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少300 meV。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少500 meV。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料的特徵係在於能帶間隙。根據一特定具體實例，奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.0 eV至約2.0 eV的範圍內。在另一特定具體實例中，奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.2 eV至約1.8 eV的範圍內。或者，奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.3 eV至約1.6 eV的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料亦具有載子遷移率。根據一特定具體實例，奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約10－6 cm2 /V－s至約5000 cm2 /V－s的範圍內。在一替代具體實例中，奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約10－3 cm2 /V－s至約1000 cm2 /V－s的範圍內。在其他具體實例中，該等奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約1 cm2 /V－s至約100 cm2 /V－s的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，如顯示般，元件係具有藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的正電荷載子與負電荷載子，該等正電荷載子與負電荷載子係於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間的介面分開。負電荷載子係於具較大電子親和力之奈米結構化材料內傳輸，且正電荷載子係於具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。在一特定具體實例中，該等電荷載子係於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料內部歷經大多數的載子傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，元件具有上覆電洞傳輸/電子阻隔材料2611。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料具有促進電洞傳輸、同時亦阻隔電子傳輸的適宜性質。如顯示般，根據一特定具體實例，電洞傳輸/電子阻隔材料係覆於互混區上方且尤其是覆於第二奈米結構化材料上方。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料可選自於金屬氧化物、第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、金屬硫化物、銅化合物、有機半導體、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於NiO、Cu2 O、Si、Ge、SiGe合金、Cu2 S、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，一電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間，其將於下文中更完整地說明。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸。在另一具體實例中，該電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其已於前文說明。根據一特定具體實例，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電洞傳輸/電子阻隔材料的表面區域上方之電極結構2613。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極結構可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極結構可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極結構而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。本案元件之製造方式的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
根據本發明另一具體實例之用以形成用於光伏元件之奈米複合材料的方法係簡單說明於下。
1.提供基材(例如玻璃)，其包括一表面區域；2.清潔(例如RCA、音波、超音波)該表面區域；3.形成覆於該表面區域上方之電極層；4.形成覆於該電極層上方之電子傳輸/電洞阻隔材料；5.形成覆於該電子傳輸/電洞阻隔材料上方之第一奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)；6.形成覆於該第一奈米結構化材料上方之第二奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)；7.致使介面區形成，其提供於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間，以提供第一奈米結構化材料處於第一電子親和力與第一游離電勢並提供第二奈米結構化材料處於第二電子親和力與第二游離電勢；8.形成覆於該第二奈米結構化材料上方之電洞傳輸/電子阻隔材料；9.形成覆於該電洞傳輸/電子阻隔材料上方之電極層；10.視需要執行其他步驟；以及11.提供一光伏元件，俾使第一電子親和力小於第二電子親和力且第一游離電勢小於第二游離電勢以及俾使針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數係代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
上述步驟順序係提供一種根據本發明一具體實例的方法。如顯示般，該方法係使用包括根據本發明一具體實例形成用於光伏應用之奈米複合奈米結構化材料以及電洞傳輸/阻隔材料與電子傳輸/阻隔材料之方式的步驟組合。在不悖離本案申請範圍的範圍之下，亦可提供其他替代選擇，其中係添加步驟、移除一或多個步驟、或者一或多個步驟以不同先後次序提供。根據一特定具體實例之本案方法的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第27圖至第28圖係例示根據本發明一替代具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的再一替代方法的簡圖。該等圖示僅為舉例，其不應過度侷限本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。所顯示的是由奈米結構化材料(例如奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料)製成的光伏元件。在一特定具體實例中，元件包括基材構件2701。該基材構件係包括一上覆表面區域。在一特定具體實例中，基材構件可為絕緣體、導體、或半導體，包括該等的任何組合及類似者。在一特定具體實例中，絕緣體可為玻璃、石英、塑膠、陶瓷、或其他種類的均質及/或複合及/或疊層材料。在一特定具體實例中，導體可為金屬、金屬合金、或該等的任何組合、以及類似者。或者，基材構件可為半導體材料，例如矽、矽－鍺合金、鍺、第III/V族、或第II/VI族材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於基材構件之表面區域上方之電極結構2703。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極結構可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極結構可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透光電極層而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，元件具有上覆電子傳輸/電洞阻隔材料2705。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料具有促進電子傳輸、同時亦阻隔電洞傳輸的適宜性質。如顯示般，電子傳輸/電洞阻隔材料係覆於電極2703上方，該電極較佳為透明的。此外，根據一特定具體實例，基材亦為透光的。或者，根據一特定具體實例，電極及基材不是透明的且亦可包括反射材料，其使得電磁輻射能反射至光伏材料的活化區。僅為舉例，電子傳輸/電洞阻隔材料可為無機半導體、金屬氧化物、有機半導體、或任何其他適宜材料，包括材料組合、疊層材料、以及類似者。在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料可為金屬氧化物，包括但不限於：ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 、其他金屬氧化物、以及類似者。在一特定具體實例中，該層亦是平面的，如所示者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電子傳輸/電洞阻隔材料2705上方之第一奈米結構化材料2709。在一較佳具體實例中，第一奈米結構化材料係電性耦合至電極構件的表面區域。根據一特定具體實例，該元件亦包括覆於第一奈米結構化材料上方之第二奈米結構化材料2711。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料形成互混區，其已於本案說明書通篇且更尤其是下文中說明。根據一特定具體實例，第二奈米結構化材料具有平面的表面區域。視具體實例而定，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料包含多個奈米結構，該等奈米結構係選自於奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料，該等的任何組合、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，各奈米結構化材料係由適宜的複合物、均質材料、或異質材料，包括疊層材料、分級材料、以及類似者所製成。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料包含半導體材料，例如第IV族(例如矽、矽－鍺合金、鍺)、第II/VI族、第III/V族、該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，半導體材料可為無機半導體或有機半導體材料。在其他具體實例中，奈米結構化材料當中的一或二者可由金屬氧化物物種製成。作為一例子，用於第一奈米結構材料之金屬氧化物可為CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、該等的組合、以及類似者。在一替代具體實例中，第一奈米結構化材料可為金屬硫化物物種。舉例來說，金屬硫化物可為FeS2 、SnS、Cu2 、FeS、該等的組合及類似者。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料可為包含第IV族半導體物種之半導體材料。舉例來說，半導體材料可為FeSi2 、以及類似者。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在一特定具體實例中，第二奈米結構化材料包含金屬氧化物，例如ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料可選自於Si、Ge、ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、Fe3 O4 、Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS，包括組合，以及類似者。在其他一般具體實例中，第一奈米結構化材料可選自於金屬硫化物，例如Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS、該等的組合、以及類似者。當然，可以有其他變化、替代選擇及修飾。
在其他具體實例中，奈米結構化材料可具有使用一或多種材料之特定空間形態。作為一例子，第一奈米結構化材料包含選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、及金屬氧化物、以及類似者之奈米柱。在另一具體實例中，第一奈米結構化材料包含選自於Si、Ge、SiGe合金之奈米柱。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料包含選自於ZnO、FeO、Fe2 O3 、CuO、Cu2 O之奈米柱。在再其他具體實例中，第一奈米結構化材料係由選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、以及金屬氧化物之奈米管所構成。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。在其他的替代具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料，第二奈米結構化材料則包含了包含金屬氧化物的奈米柱。在某些具體實例中，第一奈米結構化材料可包括奈米結構金屬硫化物，例如FeS2 、SnS、以及類似者。或者，第一奈米結構化材料可包括包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在其他具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，第二奈米結構化材料則包含了包含ZnO的奈米柱。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料、第IV族－IV半導體材料，第二奈米結構化材料則包含了包含金屬氧化物的奈米管。根據一特定具體實例，第一奈米結構材係選自於Si、Ge、SiGe合金，第二奈米結構化材料則包含了包含TiO2 的奈米管。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，第二奈米結構化材料可包括奈米結構金屬硫化物，例如SnS2 、ZnS、以及類似者。在另一具體實例中，第一奈米結構化材料係包含無機半導體，第二奈米結構化材料係包含有機半導體。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有包括第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之介面區。亦即，根據一特定具體實例，如顯示般，該介面區實質上物理暨電性接觸該第一奈米結構材料與第二奈米結構材料。在一較佳具體實例中，該介面區可為包括第一奈米結構化與第二奈米結構化材料之整合結構。或者，根據一替代具體實例，該介面區可為彼此接觸的兩個分隔結構。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件亦具有代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢。根據一特定具體實例，第二電子親和力與第二游離電勢代表第二奈米結構化材料的特徵。在一較佳具體實例中，第一電子親和力係小於第二電子親和力且根據一較佳具體實例，第一游離電勢係小於第二游離電勢。在一較佳具體實例中，第二電子親和力係小於第一游離電勢。在一較佳具體實例中，該材料亦具有針對包含於約400 nm至約700 nm範圍內之波長的光至少103 cm－1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，元件具有代表各奈米結構化材料特徵的特定電子親和力與游離電勢。在一特定具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少100 meV。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少300 meV。在其他具體實例中，第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少500 meV。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料的特徵係在於能帶間隙。根據一特定具體實例，奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.0 eV至約2.0 eV的範圍內。在另一特定具體實例中，奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.2 eV至約1.8 eV的範圍內。或者，奈米結構化材料之至少一或二者的能帶間隙係於約1.3 eV至約1.6 eV的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，奈米結構化材料亦具有載子遷移率。根據一特定具體實例，奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約10－6 cm2 /V－s至約5000 cm2 /V－s的範圍內。在另一具體實例中，奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約10－3 cm2 /V－s至約1000 cm2 /V－s的範圍內。在其他具體實例中，奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約1 cm2 /V－s至約100 cm2 /V－s的範圍內。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，如顯示般，元件具有藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的正電荷載子與負電荷載子，該等正電荷載子與負電荷載子係於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間的介面分開。負電荷載子係於具較大電子親和力之奈米結構化材料內傳輸，且正電荷載子係於具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。在一特定具體實例中，該等電荷載子係於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料內部歷經大多數的載子傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，元件具有上覆電洞傳輸/電子阻隔材料2711。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料具有促進電洞傳輸、同時亦阻隔電子傳輸的適宜性質。根據一特定具體實例，如顯示般，電洞傳輸/電子阻隔材料係覆於互混區上方且尤其覆於第二奈米結構化材料上方。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料可選自於金屬氧化物、第IV族半導體材料、第IV－IV族半導體材料、金屬硫化物、銅化合物、有機半導體、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。在一特定具體實例中，電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於NiO、Cu2 O、Si、Ge、SiGe合金、Cu2 S、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc、該等的組合，其可為複合物及/或疊層狀、以及類似者。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間，其將於下文中更完整地說明。在一特定具體實例中，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸。在一替代具體實例中，該電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其已於前文說明。根據一特定具體實例，藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，光伏元件包括覆於電洞傳輸/電子阻隔材料的表面區域上方之電極結構2715。在一特定具體實例中，電極結構可由適宜的材料或材料組合製成。適宜材料可為金屬、有機材料、或該等的組合、以及類似者。視具體實例而定，電極層可為透光或遮光材料或反光材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，金屬可為鉬、鎢、金、銀、銅、鋁、鉑、鈀、鈷、其他適宜金屬，包括組合(例如合金)及多層結構、以及類似者。或者，電極結構可為以碳為主的物種，例如石墨，或聚合物物種。在一特定具體實例中，可將金屬包入障壁金屬層或其他可具有較低電阻率且亦可防止任何金屬物種任意擴散而導致可靠性不足及/或操作故障的適宜層之間。就透明電極結構而言，電極材料可為金屬氧化物，例如氧化銦錫(通常稱作ITO)、摻雜鋁的氧化鋅、摻雜氟的氧化錫、該等的任何組合、以及其他，視特定具體實例而定。在一特定具體實例中，電極結構可導電並具有小於所欲量之電阻率，根據一特定具體實例，其通常小於約0.01歐姆－公分或不大於約100歐姆－公分。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。本案元件之製造方式的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
第29圖至第33圖係例示根據本發明具體實例用於形成奈米結構化材料之方法的簡圖。該等圖示僅為舉例，其不應過度侷限本案申請專利範圍之範圍。具本技術一般技能之人士將認知其他變化、修飾及替代選擇。如顯示般，液相沈積(SPD)的方法係例示於第29圖。如其餘圖式所例示般，另擇方法係包括電化學沈積(ECD)、液相生長(SPG)、以及氣相沈積(VPD)。參照第33圖，例示一種使用該等方法之一或多者的方法。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，本案方法與結構可解決阻礙習用薄膜光伏技術以較低成本達成高效率的議題。尤其，根據一或多個特定具體實例，本案方法與結構可解決下列議題：在太陽光光譜相關波長範圍以內的高吸收係數；有效的載子分離；有效的載子傳輸；低加工成本；低毒性材料；穩定且耐用的材料；以及豐富材料。
根據一特定具體實例，任何太陽能光伏技術的一個重要特點是對太陽光的強吸收作用。較佳地，活性材料係吸收儘可能多的太陽光。這得到許多重要結果。強吸收劑使得能使用極薄的膜而仍可吸收大量的陽光。這進而使載子必須經常傳輸以到達電荷分離接面及集電極的距離減至最短及/或縮短。由於大部分載子的擴散長度通常很短，所以薄膜減輕經由例如載子再結合及捕集等過程而影響載子的有害過程。此外，成本可大大地降低，因為需求明顯較少的材料及較低品質的材料。
因此，本發明一具體實例包括使用具有涵蓋儘可能多的太陽光譜之高吸收係數的材料的方法與結構。通常，相關光躍遷在本質上係直接的而非間接的。奈米結構化材料中的量子侷限提供進一步增加吸收係數的方法。一般而言，光躍遷的振子強度係隨著奈米結構化材料的形態尺寸減少而增加，因此，使用奈米結構化材料有益於達成較高吸收係數。許多習用材料可滿足此準則，例如有機染料、共軛寡聚物與聚合物、小有機分子、無機半導體，例如GaAs、CdTe、PbSe、PbS、InP等等。該等習用材料的絕大部分通常不滿足上文為可商業化且被接受之光伏應用所列舉的其他準則。然而，根據本發明的一或多個具體實例滿足對於高吸收係數以及低加工成本、低毒性、豐富性和穩定性的需求。此包括例如呈大塊形式與奈米結構化形式之第IV族材料、第IV－IV族材料、金屬氧化物與金屬硫化物之材料，其例子有Si、Ge、Si/Ge合金、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O、Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS，包括任何組合，以及類似者。或者，亦可使用包含呈大塊形式或以奈米結構化材料提供之第IV族半導體物種，例如FeSi2 的半導體材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，高吸收係數的特徵並不使材料的選擇限制於僅僅具有直接光躍遷的材料。量子侷限可修改光躍遷的特徵，俾使隨著奈米結構化材料的形態尺寸減少，光躍遷的本質可從具有實質上間接特徵改變成具有不同程度的直接與間接特徵者又改變成特徵上可為實質上直接者。舉例來說，具有間接光躍遷之奈米結構化的矽與鍺，隨著其形態尺寸減小至奈米範圍，可從具間接光躍遷的材料發展成具實質上直接光躍遷的材料。於是，在其大塊形式為間接的材料可以其奈米結構化形式用於光伏應用。在一較佳具體實例中，本案結構及方法可包括奈米結構化的矽、鍺、以及/或矽鍺合金、以及類似者。
特別針對太陽光伏元件之應用的另一考量是吸收劑材料的最佳化及/或經改良之能帶間隙。肖特基(Schottkley)與凱西(Queisser)早先已計算出單一接面太陽光伏元件的最佳化能帶間隙為~1.4 eV，其產生就漫射太陽光而言~31%的理論能量效率。他們證實了轉換效率如何取決於吸收劑的能帶間隙。理論上可在廣大範圍的材料能帶間隙，亦即，~1.1至~1.6 eV達到極高的效率。
在一特定具體實例中，本案方法與結構包括具落於此高轉換效率範圍內之能帶間隙，且亦滿足一或多個上列其他準則，例如高吸收係數、低加工成本、相對無毒性、豐富性和穩定性的吸收劑材料。該等具體實例包括呈大塊形式的CuO、FeO、Cu2 S。
奈米結構化材料中的量子侷限提供將奈米結構化材料的能帶間隙操縱成用於太陽光伏的最佳值之方便且有效的方法。減少奈米結構化材料的形態尺寸(例如縮短量子點的直徑)增加了能隙E g ，其大致上根據Eg (d)＝Eg (∞)＋C/dn (1)其中d為形態尺寸(例如量子點的直徑)；C為材料依賴性常數；以及n一般在1與2之間變動。
算式(1)的結論是量子侷限總是從大塊值增加能帶間隙。因此，只有能帶間隙能量低於對應於峰值之能帶間隙能量(亦即~1.4 eV)的材料可被修改成於奈米結構化形式之最佳值。在一特定具體實例中，本案方法與結構包括呈奈米結構化形式之Si、Ge、Si/Ge合金、CuO、以及FeO，因為該等滿足能帶間隙準則以及先前所列舉的一或多個其他準則，亦即，高吸收係數、低加工成本、相對無毒性、豐富性和穩定性。儘管有可滿足能帶間隙準則的習用材料，但極少習用材料滿足所有該等準則，該等準則就高效率和可商業化太陽光伏而言必須經常符合。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在大部分習用光伏元件中達成電荷分離的方法代表電力轉換效率的另一限制。電荷分離係發生在元件內有限數量的物理位置。就典型的p－n接面元件而言，電荷分離只在載子位於p－型材料與n－型材料之間的平面介面或接面之載子擴散長度內的時候發生。由於擴散長度通常落於奈米範圍或是數十奈米至一百奈米，所以大部分的光生成載子係於此區域外產生，尤其是吸收係數小且於是需要比載子擴散長度更厚的膜或晶圓的材料。以結晶Si製造呈p－n接面配置之習用光伏元件尤其如此。習用的結晶Si晶圓通常為200微米至300微米厚，數量級比載子擴散長度還長。結果，大部分的光生成載子因再結合、捕集等等而流失，其導致習用元件的限制。
至於確實分離的載子，該等載子必須經常傳輸越過極長的距離(比其擴散長度長)以到達載子集電極。結果，即使載子成功地歷經載子分離，但由於例如載子再結合及捕集之有害過程的緣故，許多載子仍到達不了電極。使用少量載子傳輸之現行元件的設計加劇該現象。
在一特定具體實例中，本案方法與結構可經由一些方法與結構可克服若干(假使不是全部)該等限制，該等方法與結構已說明於本案及本說明書通篇。本發明一具體實例可藉由本案方法與結構所使用之材料的大吸收係數成為可能。大吸收係數容許使用薄了很多的膜，範圍從約100 nm至約500 nm，同時仍吸收實質部分的太陽光。此膜厚度比習用結晶矽光伏元件明顯較薄(數量級較薄)且亦比習用薄膜光伏元件薄了很多。在一特定具體實例中，本案方法與結構可包括和該等本案奈米結構化材料內的載子擴散長度相仿或僅僅數倍長的活性材料厚度。是以，根據一特定具體實例，大部分的光生成載子係成功地透過薄膜傳輸。這有益於載子至載子分離區域或接面的傳輸以及已分離的載子至集電極的傳輸。
在本發明另一具體實例中，本案方法與結構可藉由使用讓載子傳輸以到達載子分離區域的距離進一步減至最短及/或減少的配置來增加電荷分離的可行性。此係藉由創造遍及該膜的「奈米接面」，俾使所有載子落於電荷分離奈米接面的大約擴散長度內而達成。以此方式，幾乎所有的光學生成載子皆能傳輸該極短距離至奈米接面並經歷電荷分離。當然，有其他變化、修飾及替代選擇。
已說明了電荷分離的某些機制。在習用p－n接面中，於耗乏p－n接面區內所生成的電場使位於此區擴散長度內的載子分離。p－n接面的一個變化是梢接面。在此情況中，在p－型與n－型材料之間插入內在區創造供電荷分離作用發生的更大耗乏區。該兩類接面通常用於由為限制性的習用大塊半導體材料所構成之習用元件。
對於奈米結構化材料，量子侷限通常導致能階較不像能帶而更像分子能階，伴隨著電子波函數的局部化。在此情況中，與其如同於大塊半導體中以傳導帶最小值(CBM)或價帶最大值(VBM)描述，倒不如可更適當地如同於分子物種中以最低未佔據分子軌域(LUMO)與最高佔據分子軌域(HOMO)描述相關能階。根據一特定具體實例，電荷分離發生在具有不同電子親和力(如LUMO能階的不同能量位置所代表者)或不同游離電勢(如HOMO能階的不同能量位置所代表者)的兩種奈米結構化材料之間，且受到朝向最低自由能的驅力驅使。在一較佳具體實例中，如前文所解釋的，第一奈米結構化材料具有比和第一奈米結構化材料共用一介面之第二奈米結構化材料低的電子親和力與低的游離電勢。換言之，一奈米結構化材料的HOMO－LUMO能階係以類似於第II型半導體異質接面的方式和第二材料的HOMO－LUMO能階錯開。在此情況中，根據一特定具體實例，該等材料內所生成的載子係分開或安排電荷分佈，俾使電子或負載子留在具有最高電子親和力或具有較低能量之LUMO能階的奈米結構化材料裡，而電洞或正載子則留在具有最低游離電勢或較高能量之HOMO能階的奈米結構化材料裡。
根據一特定具體實例，另一個考量是兩材料於HOMO能階之間的能量偏置及於LUMO能階之間的能量偏置。為使快速且有效的電荷分離發生，該等能量偏置必須經常足夠地大。假使電荷分離的動力學或速率不夠快速，則載子再結合或捕集可能佔上風，而導致降低電力轉換效率的流失過程。另一方面，假使該等能量偏置太大，動力轉換效率亦會變差。因此，該等能量偏置必須經常最佳化及/或改良。
奈米結構化材料內的量子侷限提供發展HOMO與LUMO能階能量之方便且有效的方法，於是使能量偏置最佳化及/或改良。縮小奈米結構化材料的形態尺寸(例如減少量子點的直徑)增加能隙E g ，其大致上根據算式(1)。隨著較小形態尺寸之E g 的增加係歸因自LUMO能階能量的增加及HOMO能階能量的降低。於是，藉由操縱尺寸，可修改奈米結構化材料的HOMO與LUMO能階能量，以使能量偏置最佳化。
根據一或多個具體實例，本案方法與結構包括材料組或材料對的適宜及/或所欲選擇，其中透過該等材料的本體性質或透過該等材料奈米結構化性質的尺寸操縱，可最佳化及/或改良材料對之間的能量偏置，以供有效的電荷分離。根據一特定具體實例，本案方法與結構係包括將來自第一組的材料和來自第二組的材料合併或配對。在一特定具體實例中，第一組包括選自於呈大塊形式之CuO、FeO和Cu2 S及呈奈米結構化形式之Si、Ge、Si/Ge合金、CuO、FeO和Cu2 S的材料。在一特定具體實例中，第二組包括呈大塊或奈米結構化形式之例如ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 、NiO、Cu2 O、CuI、CuPc、ZnPc和CuSCN的材料。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
根據一特定具體實例，有一或多種方法創造上述奈米接面遍及該膜。在一特定具體實例中，本案方法係於涉及產生光伏效應的二或多種材料之間形成奈米結構化形態。作為一例子，該樣方法以奈米規格合併及/或混合二或多種奈米結構化材料的奈米顆粒，以形成奈米複合膜。由上述帶有適當能量學之不同材料所構成的奈米顆粒之間的介面形成該類奈米接面，該等奈米接面中有許多係遍及該奈米複合膜。奈米顆粒亦可具任何形狀：球形、扁圓形、桿、管、帶、環、薄板等等。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一特定具體實例中，本案方法與結構亦可形成以克服載子傳輸可能不盡有效，某種程度上依賴從一奈米顆粒至另一奈米顆粒的無效跳躍傳輸的任何限制。作為一例子，本案方法與結構係提供用以增加奈米顆粒之間的接觸或介面面積，以克服眾多(若非所有)該等限制。在一特定具體實例中，本案方法可包括燒結所得奈米顆粒膜的製程，該製程可在明顯低於熔點下完成，俾使組成奈米顆粒更加聯結且有較大的介面面積。根據一特定具體實例之另一方法包括施加力量(例如壓力)至該膜，其達到類似於燒結的結果。根據本發明一方法，熱與壓力亦可同時施加，以於較溫和條件下達到所欲形態。該等方法藉由提供較大的介面面積和空間上更為延展的奈米結構增加奈米顆粒之間的接觸，進而致使更有效的載子傳輸和較高的載子遷移率。此外，藉由控制燒結條件及/或壓力條件，可操縱載子遷移率成為所欲值。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
另一個顯著改善載子傳輸的方法是使用更延展的奈米顆粒，例如空間上從其他奈米顆粒延展。在一特定具體實例中，經延展的奈米顆粒及/或奈米結構可包括但不限於奈米柱、奈米管等等，該等大多指向所欲載子傳輸的方向(通常垂直於膜表面)且理想地夠長以延伸幾乎穿過膜厚度。該等延展的奈米結構能使載子有效地經過單一、空間上延展的奈米結構傳輸，於是免除了大幅跳躍傳輸的需求。再者，延展的奈米結構與帶有上述適宜能量學之其他材料之間的介面形成一奈米接面，其可存在遍及該膜。此奈米複合物的其他材料亦可藉由燒結及/或經由施加壓力而為極度聯結之經延展奈米結構及/或奈米顆粒。於是，延展的奈米結構顯著地改善載子傳輸，尤其是往集電極的傳輸。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
視具體實例而定，可達到其他好處。亦即，創造膜內每隔幾奈米有奈米接面的一或多個該等方法的一個附加優點是增進之吸收。該奈米結構化形態散射光並提供多通道通過吸收劑，基本上造成有效地較大光學密度或吸收。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在另一具體實例中，吸收劑材料的吸收係數係足夠大，俾使吸收實質上所有太陽光所需的膜厚度係相當於或數倍於載子擴散長度。在此具體實例中，遍及該膜的奈米接面可能不必要。該膜足夠薄，以容許載子有效地從該膜一側傳輸至另一側，以供被電極收集。為使此發生，吸收劑材料的吸收係數應為約104 cm－1 或105 cm－1 或更大以儘可能地涵蓋更多的太陽光譜(~400 nm至~1000 nm)。該類材料的例子包括奈米結構化Si、Ge、Si/Ge合金、CuO、FeO、Cu2 S、Cu2 O、FeS2 、SnS、SnS2 、ZnS、FeSi2 等等。在此具體實例中，元件包括簡單雙層膜，其具有在奈米複合物的材料之間介面的最少的奈米結構化。根據一特定具體實例的此方法與結構將包含被夾在集電極中間之實質上雙層奈米複合物。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
本發明另一具體實例增進直至目前為止說明的許多(若非所有)PV元件具體實例的性能，其包括防止載子傳輸到錯誤電極之載子阻隔材料。載子阻隔材料可置於上述光活化奈米複合材料的適當側上。電洞阻隔層係置於光活化奈米複合物與電子集電極之間，而電子阻隔層則置於該奈米複合物與電洞集電極之間。這增加載子收集的不對稱性，其增進PV性能，例如增加VO c。可使用該等載子阻隔層的任一者或兩者。影響載子阻隔的障壁層可經由使LUMO與HOMO能階如上述般偏移的量子尺寸效應操縱。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在一較佳具體實例中，載子阻隔層亦傳輸適當的載子，亦即，電洞阻隔層亦傳輸電子，於是形成電子傳輸電洞阻隔材料(ETHBM)，而電子阻隔層亦傳輸電洞，於是形成電洞傳輸電子阻隔材料(HTEBM)。適用於上述具體實例的ETHBM例子包括ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 等等。適用於上述具體實例的HTEBM例子則包括NiO、Cu2 O、CuI、CuPc、ZnPc、CuSCN等等。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
在另一具體實例中，載子阻隔層及/或載子傳輸層亦作用為緩衝層，以防止材料(例如金屬)非所欲地從元件內的電極或其他材料擴散通過該元件而至元件的其他區域內。在另一具體實例中，載子阻隔及/或載子傳輸層亦作用為減少元件電短路或電分流的緩衝物。於是，在最佳具體實例中，載子阻隔/傳輸材料供應多樣功能：傳輸載子、阻隔非所欲載子、防止材料擴散穿過元件及減少元件電短路或電分流。
再者，上述於本發明各式具體實例中說明或挑選的所有材料可被合成並使用包括溶液技術，包括溶液合成、電化學、電泳、溶膠加工、刮刀成型、噴墨印刷、浸漬等等之低成本製程加工成PV所需薄膜或其他結構。
再者，上述於本發明各式具體實例中說明或挑選的所有材料係相對無毒、安定、而且在地殼存有豐富供應量。
亦可理解的是本案所述實施例與具體實例係僅用於例示目的，並可理解的是熟習本技術技術之人士將聯想到鑑於本案所述實施例與具體實例的各式各樣修改或變化且該等修改或變化係包括在本申請案之精神與範圍以及隨附申請專利範圍之範圍以內。其他實施例的進一步細節可在本案說明書通篇且更尤其是下文中找到。
實施例
為證明本發明的原理與操作，已說明了各式各樣的實施例。已準備該等實施例以證實根據特定具體實例之方法與結構。該等方法與結構非意圖以任何方式限制。具本技術一般技能之人士將認知其他修飾、替代選擇及變化。在討論實施例以前，已準備有下列定義清單。如同實施例，該等定義並非意圖限制而應被賦予和具本技術一般技能之人士所為之詮釋一致的意義。亦即，就既定用語而言，簡短描述係提供於下方( )內。
電子傳輸材料(ETM)電洞傳輸材料(HTM)電子阻隔材料(EBM)電洞阻隔材料(HBM)電子傳輸電洞阻隔材料(ETHBM)電洞傳輸電子阻隔材料(HTEBM)吸收電子傳輸材料(AETM)吸收電洞傳輸材料(AHTM)吸收電子阻隔材料(AEBM)吸收電洞阻隔材料(AHBM)吸收電子傳輸電洞阻隔材料(AETHBM)吸收電洞傳輸電子阻隔材料(AHTEBM)
在根據本發明的特定具體實例中，基材與覆材(superstrate)元件配置均可實施。在下列實施例中，將只說明了覆材配置的製造，但這並非意圖限制，熟習本技術技術之人士將認知基材配置亦可以直接應用該等實施例的方式實施。當然，可以有其他變化、修飾及替代選擇。
此外，在說明於下方實施例的元件配置中，將使用透明傳導電極(TCE)，以容許光傳送至吸收劑材料。可使用兩類TCE，其為n－型與p－型，亦即，分別傳輸或傳導負載子的TCE及傳輸或傳導正載子的TCE。TCE的一些例子有氧化銦錫(ITO)、摻雜Al的氧化鋅(ZnO：Al)及摻雜氟的氧化錫(SnO2 ：F)。ITO為p－型TCE的一個例子，而ZnO：Al與Sn2 O：F為n－型TCE的例子。在傳輸材料鄰接於TCE的元件配置例子中，電子傳輸材料(例如ETM或ETHBM，其可未經摻雜或為n－摻雜)係鄰接於n－型TCE，而電洞傳輸材料(例如HTM或HTEBM，其可未經摻雜或為p－摻雜)係鄰接於p－型TCE。舉例來說，假若使用n－型材料(例如ZnO：Al)作為TCE，則使用電子傳輸材料，而假若使用p－型材料(例如ITO)作為TCE，則使用電洞傳輸材料。在下文說明的實施例中，將使用n－型TCE，例如ZnO：Al。此非意圖限制。亦可使用其他n－型TCE與p－型TCE，而且熟習本技術技術之人士將認知到，視TCE本質而定，載子傳輸層將變換位置且所使用之摻雜種類亦將變換。
實施例1
在可為任何光學澄清材料，例如玻璃、熔融二氧化矽、塑膠等等的基材上沈積一層透明傳導電極(TCE)，其可以各種真空方法，例如濺鍍、蒸鍍及溶液沈積方法進行。TCE的例子有氧化銦錫(ITO)、摻雜Al的氧化鋅(ZnO：Al)及摻雜氟的氧化錫(SnO2 ：F)。在該等例子中，吾人使用ZnO：Al。
隨後將一層第一材料構成的奈米顆粒(NP)沈積在TCE上。此膜的厚度範圍可從約50 nm至約1000 nm。此係使用NP的膠體懸浮液並以各式種類的溶液沈積製程如旋轉塗佈、噴塗、噴墨印刷、浸漬、刮刀成型、電泳、電化學沈積等等進行。所沈積的第一材料可為金屬氧化物，例如ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 等等。或者，第一材料可為金屬硫化物，例如FeS2 、SnS。又或者，第一材料可為含有第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料。該金屬氧化物NP或金屬硫化物NP或其他半導體NP隨後於範圍從約100℃至約700℃、或較佳約100℃至約600℃、或更佳約100℃至約500℃之溫度燒結一段範圍從約5分鐘至約3小時的時間。此燒結製程可於烘箱內進行，抑或經由程式化快速熱退火進行，其目標是使NP稍微熔融或互相連結在一起。除了熱燒結以外，亦可藉由施加壓力至該膜而達到NP的相互連結。所施加的壓力範圍可從100 kg/cm2 至2000 kg/cm2 且可以機械式壓機或以等壓式壓機施加至該膜。
隨後沈積第二材料構成的NP，將該等第二材料的NP注入由已沈積之第一材料的NP所形成的奈米孔洞內。該等第二材料的NP可以類似於第一材料的NP之方式沈積。第二材料可為Si、Ge、SiGe合金；金屬氧化物，例如CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 ；金屬硫化物，例如CU2 S、SnS2 、ZnS及類似者。第二材料的NP隨後以類似於在第一材料的NP上進行之方式燒結。第一材料的NP與經燒結之第二材料的NP之組合構成奈米複合膜。
最後，將上部電極沈積在該奈米複合膜上。此上部電極可藉由例如濺鍍、蒸鍍、網版印刷、塗佈、箔層合等等方法沈積。
實施例2
在實施例1的另一具體實例中，第一材料的NP與第二材料的NP係以類似於實施例1中沈積第一材料的NP的方式一起沈積。如同於實施例1中，該二者隨後於指定溫度燒結一段指定時間或被施加壓力。
實施例3
以實施例1的經TCE塗佈之基材開始。將一層電子傳輸電洞阻隔材料(ETHBM)的膜使用真空技術(例如濺鍍或蒸鍍或溶液沈積技術)以範圍從約100 nm至約1000 nm之厚度沈積。該ETHBM可為金屬氧化物，例如ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 等等，且可未經摻雜或為n摻雜。隨後將實施例1說明的奈米複合膜加工至ETHBM上。最後，將上部電極沈積在奈米複合膜上。此上部電極可藉由例如濺鍍、蒸鍍、網版印刷、塗佈、箔層合等等方法沈積。
實施例4
以實施例3中沈積上部電極之前的元件開始。將一層電洞傳輸電子阻隔材料(HTEBM)使用真空技術(例如濺鍍或蒸鍍或溶液沈積技術)以範圍從約100 nm至約1000 nm之厚度沈積在奈米複合層上。HTEBM的例子有NiO、Cu2 O、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc等等且可為p－摻雜或未經摻雜。最後，將上部電極沈積在HTEBM上。此上部電極可藉由例如濺鍍、蒸鍍、網版印刷、塗佈、箔層合等等方法沈積。
實施例5
以實施例1中沈積上部電極之前的元件開始。將一層電洞傳輸電子阻隔材料(HTEBM)使用真空技術(例如濺鍍或蒸鍍或溶液沈積技術)以範圍從約100 nm至約1000 nm之厚度沈積在奈米複合層上。HTEBM的例子有NiO、Cu2 O、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc等等且可未經摻雜或為p摻雜。最後，將上部電極係沈積在HTEBM上。此上部電極可藉由例如濺鍍、蒸鍍、網版印刷、塗佈、箔層合等等方法沈積。
實施例6
以實施例1的經TCE塗佈之基材開始。沈積由第一材料的NP、第二材料的NP與第三材料的NP之混合物所組成之層，此層構成一奈米複合物。第一材料為ETHBM，第二材料為吸收劑，而第三材料為HTEBM。該三類NP可以眾多方法沈積。一具體實例涉及形成所有三種材料的NP膠體懸浮液。然後經由眾多溶液沈積技術，例如旋轉塗佈、噴塗、浸漬、噴墨印刷、刮刀成型、電泳、電化學沈積等等，將所有三種材料的NP沈積在經TCE塗佈之基材上。最後，將一上部電極沈積在奈米複合膜上。此上部電極可藉由例如濺鍍、蒸鍍、網版印刷、塗佈、箔層合等等方法沈積。
實施例7
在實施例6的另一具體實例中，使用真空技術，例如濺鍍或蒸鍍或溶液沈積技術，將ETHBM置於TCE與該奈米複合物之間。ETHBM的例子有ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 等等，且可未經摻雜或為n摻雜。
實施例8
在實施例6的另一具體實例中，使用真空技術，例如濺鍍或蒸鍍或溶液沈積技術，將HTEBM置於該奈米複合物與上覆電極之間。HTEBM的例子有NiO、Cu2 O、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc等等且可未經摻雜或為p摻雜。
實施例9
在實施例6的另一具體實例中，使用真空技術，例如濺鍍或蒸鍍或溶液沈積技術，將ETHBM置於TCE與奈米複合物之間，並將HTEBM置於奈米複合物與上部電極之間。ETHBM的例子有ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 等等，且可未經摻雜或為n摻雜。HTEBM的例子有NiO、Cu2 O、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc等等且可未經摻雜或為p摻雜。
實施例10
以實施例1的經TCE塗佈之基材開始。將包含ETHBM的NP之層使用溶液沈積方法沈積在TCE上。ETHBM的例子有ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 等等，且可未經摻雜或為n摻雜。將吸收劑材料的NP的第二層使用溶液沈積方法沈積在ETHBM層上。吸收劑材料的例子有Si、Ge、SiGe合金、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、Cu2 S等等。將HTEBM的NP的第三層使用溶液沈積方法沈積在吸收劑材料層上。HTEBM的例子有NiO、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc等等且可未經摻雜或為p摻雜。該三層的組合構成一多層奈米複合物。該等層各層的厚度範圍從約50 nm至約5000 nm，更佳從約50 nm至約1000 nm，且最佳從約50 nm至約500 nm。該等NP層之各層可在各NP層沈積之後燒結。燒結製程亦可在沈積兩層之後進行，然後另一燒結製程係於第三層沈積之後進行。燒結製程亦可在所有三層沈積之後進行。最後，將上部電極係沈積在奈米複合膜上。此上部電極可藉由例如濺鍍、蒸鍍、網版印刷、塗佈、箔層合等等方法沈積。
實施例11
在實施例10的另一具體實例中，使用真空方法，例如濺鍍或蒸鍍、或溶液沈積方法，將ETHBM置於TCE與多層奈米複合物之間。ETHBM的例子有ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 等等，且可未經摻雜或為n摻雜。
實施例12
在實施例10的另一具體實例中，使用真空方法，例如濺鍍或蒸鍍、或溶液沈積方法，將HTEBM置於多層奈米複合物與上部電極之間。HTEBM的例子有NiO、Cu2 O、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc等等且可未經摻雜或為p摻雜。
實施例13
在實施例10的另一具體實例中，使用真空方法，例如濺鍍或蒸鍍、或溶液沈積方法，將ETHBM置於TCE與多層奈米複合之間，並將HTEBM置於多層奈米複合物與上部電極之間。ETHBM的例子有ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 等等，且可未經摻雜或為n摻雜。HTEBM的例子有NiO、Cu2 O、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc等等且可未經摻雜或為p摻雜。
實施例14
以實施例1的經TCE塗佈之基材開始。沈積一層延展之奈米結構，例如奈米柱、奈米管等等，該奈米結構係實質上垂直但不需精準地垂直於該膜。可用於該等延展之奈米結構的材料例子包括金屬氧化物，例如ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、及Fe2 O3 ；金屬硫化物，例如FeS2 、SnS；包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料，且可未經摻雜或為n摻雜。一層包含和延展之奈米結構相同材料的薄膜可先沈積在TCE上，然後延展之奈米結構係於此薄膜上生長。此薄膜可藉由燒結一層該材料的NP或藉由真空方法如濺鍍或蒸鍍或溶液沈積方法形成。此薄膜及/或延展之奈米結構亦可作為ETHBM。該延展之奈米結構可藉由眾多方法生長或沈積。一具體實涉及溶液生長技術。該類方法的一個例子(較佳具體實例)涉及將經TCE塗佈之基材(有或沒有包含延展之奈米結構的材料的薄膜)浸至適當生長媒介，例如包含含有金屬鹽前驅物如用以沈積ZnO奈米柱的醋酸鋅之鹼性水溶液(例如NaOH水溶液)的生長媒介內。
隨後將第二材料注入由該延展之奈米結構所形成的奈米孔隙內，第二材料延展超過該延展之奈米結構或完全覆蓋該延展之奈米結構。此第二材料可為Si、Ge、SiGe合金、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、Cu2 S、SnS2 、ZnS等等。此第二材料可以數種方法沈積。一種方法使用該材料的NP膠體懸浮液。可藉由諸如旋轉塗佈、噴塗、浸漬、噴墨印刷、刮刀成型、電泳、電化學沈積等等之方法使用膠體懸浮液將第二材料注入奈米孔隙內。注入第二材料之後，第二材料係於範圍從約100℃至約700℃、或較佳約100℃至約600℃、或更佳約100℃至約500℃之溫度燒結一段範圍約5分鐘至約3小時的時間。此燒結製程可於烘箱內進行，抑或經由程式化快速熱退火進行，該製程的目標是使NP稍微熔融或互相連結在一起。除了熱燒結以外，亦可藉由施加壓力至該膜而達到NP的相互連結。壓力範圍可從約100 kg/cm2 至約2000 kg/cm2 且可以機械式壓機或以等壓式壓機施加至該膜。
沈積第二材料的另一方法涉及到使用適當前驅物材料水溶液之電化學沈積。可使用標準的參電極或雙電極電化學電池。一個電極，或工作電極，係包含第一材料的延展奈米結構，其已塗佈於位在基材上之TCE層上。參考電極為標準飽和甘汞電極(SCE)或標準氫電極(SHE)。相對電極為金屬，例如鉑、金等等。前驅材料可為各式各樣的材料。就Si而言，前驅材料可為各種矽烷，例如鹵矽烷與有機矽烷、聚矽烷。就Ge而言，前驅材料可為各種鍺烷，例如鹵鍺烷與有機鍺烷、或聚鍺烷。就CuO而言，前驅材料可為各種銅(II)鹽，例如乙酸銅(II)與硫酸銅(II)、以及酒石酸Cu(II)。就Cu2 O而言，前驅材料可為各種銅(I)鹽，例如氯化銅(I)與硝酸銅(I)。就FeO而言，前驅材料可為各種鐵(II)鹽，例如氯化鐵(II)。就Fe2 O3 而言，前驅材料可為各種鐵(III)鹽，例如氯化鐵(III)。就銅(I)硫化物而言，前驅材料可為各種銅(I)鹽，例如氯化銅(I)與硝酸銅(I)。
最後，將上部電極係沈積在第二材料上。此上部電極可藉由例如濺鍍、蒸鍍、網版印刷、塗佈、箔層合等等方法沈積。
實施例15
建構一個類似於實施例14說明之元件的元件，除了為電洞傳輸電子阻隔材料(HTEBM)之第三材料係於上部電極沈積之前先沈積在第二材料上以外。此係使用真空方法沈積，例如濺鍍或蒸鍍、或溶液沈積方法。此第三材料可為各種材料，例如NiO、Cu2 O、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc等等。最後，將上部電極沈積在第三材料上。此上部電極可藉由例如濺鍍、蒸鍍、網版印刷、塗佈、箔層合等等方法沈積。
實施例16
建構一個類似於實施例14說明之元件的元件，除了第二材料並未完全填滿奈米孔隙，而是沈積成以第二材料薄膜塗佈延展奈米結構，使奈米孔隙仍殘留在延展的奈米結構之間或內部。第三材料，其為HTEBM，例如說明於實施例15中者，隨後沈積於該等奈米孔隙內至高於延展奈米結構的程度。最後，將上部電極沈積在第三材料上。此上部電極可藉由例如濺鍍、蒸鍍、網版印刷、塗佈、箔層合等等方法沈積。
實施例17
以實施例1的經TCE塗佈之基材開始。將電子傳輸電洞阻隔材料(ETHBM)之膜使用真空方法(例如濺鍍或蒸鍍、或溶液沈積方法)以範圍從約100 nm至約1000 nm之厚度沈積。該ETHBM可為金屬氧化物，例如ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 等等，且可未經摻雜或為n摻雜。將一層吸收薄膜沈積在ETHBM上。此吸收材料可為Si、Ge、SiGe合金、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、Cu2 S、FeS2 、SnS等等。此吸收材料的厚度範圍可從約50 nm至約5000 nm。此材料可如實施例14所述般以許多方法沈積。將電洞傳輸電子阻隔材料(HTEBM)之膜使用真空方法(例如濺鍍或蒸鍍、或溶液沈積方法)以範圍從約100 nm至約1000 nm之厚度沈積在該吸收材料上。HTEBM可為眾多材料，例如NiO、Cu2 O3 、CuI、CuSCN、CuPC等等。最後，將上部電極係沈積在第三材料上。此上部電極可藉由例如濺鍍、蒸鍍、網版印刷、塗佈、箔層合等等方法沈積。
實施例18
實施例17之元件，但無ETHBM。
實施例19
實施例17之元件，但無HTEBM。
實施例20
除了奈米複合材料以外，此元件配置係類似於實施例3。在此實施例中，奈米複合材料係包含奈米多孔的第一材料，其中該奈米孔洞係使用溶液沈積方法充填有第二材料。可製成奈米多孔的第一材料例子有Si、Ge、SiGe合金；金屬氧化物，例如ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 ；金屬硫化物，例如FeS2 、SnS；包含第IV族半導體物種(例如FeSi2 )之半導體材料等等。在一具體實例中，奈米多孔Si的奈米孔洞係充填有Ge。在另一具體實例中，奈米多孔Ge的奈米孔洞係充填有Si。在另一具體實例中，奈米多孔Si或奈米多孔Ge的奈米孔洞係充填有金屬氧化物，例如ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 等等。在另一具體實例中，奈米多孔金屬氧化物(例如ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 等等)的奈米孔洞係充填有下列其中之一：Si、Ge、SiGe合金、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、Cu2 S。
實施例21
此元件配置係類似於實施例20，除了電洞傳輸電子阻隔材料(HTEBM)層係置於奈米複合物與上覆電極之間以外。此HTEBM係使用真空方法(例如濺鍍或蒸鍍、或溶液沈積方法)以範圍從約100 nm至約1000 nm之厚度沈積。HTEBM的例子有NiO、Cu2 O3 、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc等等。最後，將一上部電極係沈積在HTEBM上。此上部電極可藉由例如濺鍍、蒸鍍、網版印刷、塗佈、箔層合等等方法沈積。
實施例22
實施例21之元件，但無ETHBM。
亦可理解的是本案所述實施例與具體實例係僅用於例示目的，並可理解的是熟習本技術技術之人士將聯想到鑑於本案所述實施例與具體實例的各式各樣修改或變化且該等修改或變化係包括在本申請案之精神與範圍以及隨附申請專利範圍之範圍以內。
100．．．簡圖
101．．．基材構件
103．．．電極
105．．．第一奈米結構化材料
107．．．第二奈米結構化材料
109．．．電極結構
111．．．互混區
150．．．互混區
200．．．基材
201．．．表面區域
301．．．電極層
401．．．第一奈米結構化材料
501．．．第二奈米結構化材料
503．．．互混區
601．．．電極層
700．．．奈米結構化材料
701．．．基材構件
703．．．電極結構
705．．．電子傳輸/電洞阻隔材料
707．．．互混區
709．．．電洞傳輸/電子阻隔材料
711．．．電極結構
750．．．互混區707的放大圖
751．．．第一奈米結構化材料
753．．．第二奈米結構化材料
800．．．基材
801．．．表面區域
901．．．電極層
1001．．．電子傳輸/電洞阻隔材料
1101．．．第一奈米結構化材料
1201．．．第二奈米結構化材料
1205．．．互混區
1301．．．電洞傳輸/電子阻隔材料
1305．．．電極層
1400．．．奈米結構化材料
1401．．．基材構件
1403．．．電極結構
1405．．．電子傳輸/電洞阻隔材料
1407．．．奈米結構化材料
1409．．．電洞傳輸/電子阻隔材料
1411．．．電極結構
1501．．．基材
1502．．．表面區域
1503．．．電極層
1505．．．電子傳輸/電洞阻隔材料
1601．．．奈米結構化材料
1701．．．電洞傳輸/電子阻隔材料
1703．．．電極層
1900．．．奈米結構化材料
1901．．．基材構件
1903．．．電極結構
1905．．．電子傳輸/電洞阻隔材料
1907．．．奈米結構化材料
1909．．．電洞傳輸/電子阻隔材料
1911．．．電極結構
2000．．．表面配置
2001．．．基材構件
2002．．．表面區域
2003．．．電極層
2005．．．電子傳輸/電洞阻隔材料
2007．．．奈米結構化材料
2201．．．電洞傳輸/電子阻隔材料
2205．．．電極層
2300．．．奈米結構化材料
2301．．．基材構件
2302．．．表面區域
2305．．．電極結構
2307．．．電子傳輸/電洞阻隔材料
2309．．．奈米結構化材料
2311．．．電洞傳輸/電子阻隔材料
2313．．．電極結構
2600．．．奈米結構化材料
2601．．．基材構件
2603．．．電極結構
2605．．．電子傳輸/電洞阻隔材料
2607．．．第一奈米結構化材料
2608．．．介面區
2609．．．第二奈米結構化材料
2611．．．電洞傳輸/電子阻隔材料
2613．．．電極結構
2701．．．基材構件
2703．．．電極結構
2705．．．電子傳輸/電洞阻隔材料
2709．．．第一奈米結構化材料
2711．．．第二奈米結構化材料
2713．．．電洞傳輸/電子阻隔材料
2715．．．電極結構
第1圖係例示根據本發明一具體實例之用於光伏元件的奈米結構化材料的簡圖。
第1A圖係例示根據本發明一具體實例之第1圖元件的互混區的簡圖。
第2圖至第6圖係例示根據本發明一具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的方法的簡圖。
第7圖係例示根據本發明一具體實例用於光伏元件之替代奈米結構化材料的簡圖。
第8圖至第13圖係例示根據本發明另一具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的替代方法的簡圖。
第14圖係例示根據本發明一具體實例用於光伏元件之另一替代奈米結構化材料的簡圖。
第15圖至第18圖係例示根據本發明另一具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的另一替代方法的簡圖。
第19圖係例示根據本發明一具體實例用於光伏元件之另一替代奈米結構化材料的簡圖。
第20圖至第22圖係例示根據本發明一替代具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的另一替代方法的簡圖。
第23圖係例示根據本發明一具體實例用於光伏元件之另一替代奈米結構化材料的簡圖。
第24圖至第25圖係例示根據本發明一替代具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的另一替代方法的簡圖。
第26圖係例示根據本發明一具體實例用於光伏元件之另一替代奈米結構化材料的簡圖。
第27圖至第28圖係例示根據本發明另一具體實例之製造用於光伏元件之奈米結構化材料的另一替代方法的簡圖。
第29圖至第33圖係例示根據本發明具體實例用於形成奈米結構化材料之方法的簡圖。
100．．．簡圖
101．．．基材構件
103．．．電極
105．．．第一奈米結構化材料
107．．．第二奈米結構化材料
109．．．電極結構
111．．．互混區

Claims (82)

  1. 一種光伏奈米複合奈米結構化材料，其包含：第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料；互混區，其提供於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間；代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢；代表第二奈米結構化材料特徵的第二電子親和力與第二游離電勢，據此第一電子親和力係小於第二電子親和力且第一游離電勢係小於第二游離電勢，而且第二電子親和力係小於第一游離電勢；針對包含於約400nm至約700n m範圍內之波長的光至少103 cm-1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
  2. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料包含多個奈米結構，該多個奈米結構係選自於奈米顆粒、量子點、量子線、奈米柱、奈米棒、奈米管、量子井、奈米殼、奈米帶、奈米多孔材料。
  3. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該互混區的厚度範圍從約1nm至約5000nm；其中代表互混特徵的空間距離範圍從約1nm至約5000nm。
  4. 根據申請專利範圍第3項之奈米結構化材料，其中該互混區的厚度範圍從約1nm至約1000nm；其中代表互混特徵的空間距離範圍從約1nm至約1000nm。
  5. 根據申請專利範圍第4項之奈米結構化材料，其 中該互混區的厚度範圍從約1nm至約500nm；其中代表互混特徵的空間距離範圍從約1nm至約500nm。
  6. 根據申請專利範圍第5項之奈米結構化材料，其中該互混區的厚度範圍從約1nm至約100nm；其中代表互混特徵的空間距離範圍從約1nm至約100nm。
  7. 根據申請專利範圍第6項之奈米結構化材料，其中該互混區的厚度範圍從約1nm至約50nm；其中代表互混特徵的空間距離範圍從約1nm至約50nm。
  8. 根據申請專利範圍第7項之奈米結構化材料，其中該互混區的厚度範圍從約1nm至約50nm；其中代表互混特徵的空間距離範圍從約1nm至約10nm。
  9. 根據申請專利範圍第8項之奈米結構化材料，其中該互混區的厚度範圍從約1nm至約50nm；其中代表互混特徵的空間距離範圍從約1nm至約5nm。
  10. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料包含半導體材料。
  11. 根據申請專利範圍第10項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料包含無機半導體材料。
  12. 根據申請專利範圍第11項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料與第IV-IV族半導體材料。
  13. 根據申請專利範圍第12項之奈米結構化材料，其 中該第一奈米結構化材料包含Si奈米結構，且第二奈米結構化材料包含Ge奈米結構。
  14. 根據申請專利範圍第12項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料包含SiGe合金奈米結構。
  15. 根據申請專利範圍第11項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料係選自於金屬氧化物。
  16. 根據申請專利範圍第15項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、FeS2 ，且第二奈米結構化材料係包含金屬氧化物。
  17. 根據申請專利範圍第15項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 ，且第二奈米結構化材料係選自於ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 。
  18. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料與第IV-IV族半導體材料。
  19. 根據申請專利範圍第18項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金。
  20. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於金屬氧化物。
  21. 根據申請專利範圍第20項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 。
  22. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中 該第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料與第IV-IV族半導體材料；其中該第二奈米結構化材料係選自於金屬氧化物。
  23. 根據申請專利範圍第22項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於Si奈米結構且第二奈米結構化材料係選自於金屬氧化物。
  24. 根據申請專利範圍第22項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於Ge奈米結構且第二奈米結構化材料係選自於金屬氧化物。
  25. 根據申請專利範圍第22項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於SiGe合金奈米結構且第二奈米結構化材料係選自於金屬氧化物。
  26. 根據申請專利範圍第22項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，且其中該第二奈米結構化材料係選自於ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 。
  27. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金、ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、Fe3 O4 、Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS、FeSi2 。
  28. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金、CuO、Cu2 O、FeO、Fe2 O3 、Cu2 S。
  29. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中 該第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金、CuO、FeO，且第二奈米結構化材料係選自於ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 。
  30. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於Cu2 O、Fe2 O3 、Cu2 S、FeS、FeS2 、SnS、FeSi2 且其中該第二奈米結構化材料係選自於ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 ，Fe2 O3 、SnS2 、ZnS。
  31. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於金屬硫化物。
  32. 根據申請專利範圍第31項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於Cu2 S、FeS、FeS、SnS。
  33. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料包含奈米柱，該奈米柱係選自於第IV族半導體材料、第IV-IV族半導體材料及金屬氧化物。
  34. 根據申請專利範圍第33項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料包含選自於Si、Ge、SiGe合金之奈米柱。
  35. 根據申請專利範圍第33項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料包含選自於ZnO、FeO、Fe2 O3 、CuO、Cu2 O之奈米柱。
  36. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料包含奈米管，該奈米管係選自於第IV族半導體材料、第IV-IV族半導體材料及金屬氧化物。
  37. 根據申請專利範圍第36項之奈米結構化材料，其 中該第一奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。
  38. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料、第IV-IV族半導體材料，且其中該第二奈米結構化材料包含了包含金屬氧化物的奈米柱。
  39. 根據申請專利範圍第38項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，且其中該第二奈米結構化材料包含了包含ZnO的奈米柱。
  40. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於第IV族半導體材料、第IV-IV族半導體材料，且其中該第二奈米結構化材料包含了包含金屬氧化物的奈米管。
  41. 根據申請專利範圍第40項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料係選自於Si、Ge、SiGe合金，且其中該第二奈米結構化材料包含了包含TiO2 的奈米管。
  42. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料包含無機半導體，且其中該第二奈米結構化材料包含有機半導體。
  43. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料包含有機半導體材料。
  44. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中於約400nm至約700nm範圍內之波長的光吸收係數為至少104 cm-1 。
  45. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中於約400nm至約700nm範圍內之波長的光吸收係數為至少105 cm-1 。
  46. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的正電荷載子與負電荷載子係於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間的介面分開；其中負電荷載子係於一具較大電子親和力之奈米結構化材料內傳輸且正電荷載子係於另一具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。
  47. 根據申請專利範圍第46項之奈米結構化材料，其中電荷載子係於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料內部歷經大多數的載子傳輸。
  48. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少100meV。
  49. 根據申請專利範圍第48項之奈米結構化材料，其中第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少300meV。
  50. 根據申請專利範圍第49項之奈米結構化材料，其中第一奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢係分別比第二奈米結構化材料的電子親和力與游離電勢小至少500meV。
  51. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該等奈米結構化材料之一的能帶間隙係於約1.0eV至約2.0eV的範圍內。
  52. 根據申請專利範圍第51項之奈米結構化材料，其中該等奈米結構化材料之一的能帶間隙係於約1.2eV至約1.8eV的範圍內。
  53. 根據申請專利範圍第52項之奈米結構化材料，其中該等奈米結構化材料之一的能帶間隙係於約1.3eV至約1.6eV的範圍內。
  54. 根據申請專利範圍第1項之奈米結構化材料，其中該等奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約10-6 cm2 /V-s至約5000cm2 /V-s的範圍內。
  55. 根據申請專利範圍第54項之奈米結構化材料，其中該等奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約10-3 cm2 /V-s至約1000cm2 /V-s的範圍內。
  56. 根據申請專利範圍第55項之奈米結構化材料，其中該等奈米結構化材料之一的載子遷移率係於約1cm2 /V-s至約100cm2 /V-s的範圍內。
  57. 一種光伏奈米複合材料，其包含：第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料；代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢；代表第二奈米結構化材料特徵的第二電子親和力與第二游離電勢，據此第一電子親和力係小於第二電子親和力，第一游離電勢係小於第二游離電勢，且第二電子親和力係小於第一游離電勢； 針對包含於約400nm至約700nm範圍內之波長的光至少103 cm-1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
  58. 一種光伏複合材料，其包含：第一奈米結構化材料、第二奈米結構化材料及第三奈米結構化材料；互混區，其提供於第一奈米結構化材料、第二奈米結構化材料與第三奈米結構化材料之間；代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢；代表第二奈米結構化材料特徵的第二電子親和力與第二游離電勢；第三奈米結構化材料特徵的第三電子親和力與三游離電勢代表，據此第一電子親和力係小於第二電子親和力，第二電子親和力係小於第三電子親和力，第一游離電勢係小於第二游離電勢，第二游離電勢係小於第三游離電勢，而且第三電子親和力係小於第一游離電勢；針對包含於約400nm至約700nm範圍內之波長的光至少103 cm-1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料、第二奈米結構化材料及第三奈米結構化材料當中至少一者、二者或全體三者的特徵。
  59. 一種光伏元件，其包含電子集電極；電洞集電極；奈米結構化材料，其置於電子集電極與電洞集電極之間，該奈米結構化材料包含：第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料；互混區，其提供於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間；代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢；代表第二奈米結構化材料特徵的第二電子親和力與第二游離電勢，據此第一電子 親和力係小於第二電子親和力且第一游離電勢係小於第二游離電勢，而且第二電子親和力係小於第一游離電勢；針對包含於約400nm至約700nm範圍內之波長的光至少103 cm-1 之光吸收係數，其代表第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料當中至少一者或兩者的特徵。
  60. 根據申請專利範圍第59項之光伏元件，其中該電子集電極與電洞集電極在約400nm至約1100nm之波長範圍內係實質上透光。
  61. 根據申請專利範圍第60項之光伏元件，其中該電子集電極與電洞集電極在約400nm至約1000nm之波長範圍內係實質上透光。
  62. 根據申請專利範圍第61項之光伏元件，其中該電子集電極與電洞集電極在約400nm至約900nm之波長範圍內係實質上透光。
  63. 根據申請專利範圍第62項之光伏元件，其中該電子集電極與電洞集電極在約400nm至約800nm之波長範圍內係實質上透光。
  64. 根據申請專利範圍第63項之光伏元件，其中該電子集電極與電洞集電極在約400nm至約700nm之波長範圍內係實質上透光。
  65. 根據申請專利範圍第59項之光伏元件，其中藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的負電荷載子與正載子係於第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料之間的介面分開；其中負電荷載子係於一具較大電子親和力之奈米結 構化材料內傳輸且正電荷載子係於另一具較小游離電勢之奈米結構化材料內傳輸。
  66. 根據申請專利範圍第59項之光伏元件，其中電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間；其中電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其中藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸；其中藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。
  67. 根據申請專利範圍第59項之光伏元件，其中該電子傳輸/電洞阻隔材料係選自於無機半導體、有機半導體。
  68. 根據申請專利範圍第59項之光伏元件，其中該電子傳輸/電洞阻隔材料係選自於金屬氧化物。
  69. 根據申請專利範圍第59項之光伏元件，其中該電子傳輸/電洞阻隔材料係選自於ZnO、TiO2 、SnO2 、WO3 、Fe2 O3 。
  70. 根據申請專利範圍第59項之光伏元件，其中該電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於無機半導體、有機半導體。
  71. 根據申請專利範圍第59項之光伏元件，其中該電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於金屬氧化物、第IV族半導體材料、第IV-IV族半導體材料、金屬硫化物、銅化合物。
  72. 根據申請專利範圍第59項之光伏元件，其中該電洞傳輸/電子阻隔材料係選自於NiO、Cu2 O、Si、Ge、SiGe 合金、Cu2 S、CuI、CuSCN、CuPc、ZnPc。
  73. 根據申請專利範圍第59項之光伏元件，其中電子傳輸/電洞阻隔材料係置於奈米結構化材料與電子集電極之間；其中藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶負電載子係優先分離至電子傳輸/電洞阻隔材料內並於電子傳輸/電洞阻隔材料內傳輸。
  74. 根據申請專利範圍第59項之光伏元件，其中電洞傳輸/電子阻隔材料係置於奈米結構化材料與電洞集電極之間；其中藉由奈米結構化材料之光吸收所生成的帶正電載子係優先分離至電洞傳輸/電子阻隔材料內並於電洞傳輸/電子阻隔材料內傳輸。
  75. 一種形成光伏複合材料的方法，該方法包括：提供第一奈米結構化材料，該第一奈米結構化材料上面具有多個第一奈米結構；使該多個第一奈米結構經受一或多種具有具流體特徵之多個第二奈米結構的流體，以致使提供於該多個第一奈米結構與由該一或多種流體所形成之第二奈米結構化材料之間的互混區形成，俾使互混區的特徵為該多個第一奈米結構和第二奈米結構化材料係呈實質接觸；使用一或多個製程處理包括互混區之第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料，以提供代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢，以及代表第二奈米結構化材料特徵的第二電子親和力與第二游離電勢，據此第一電子親和力係小於第二電子親和力，第一游 離電勢係小於第二游離電勢且第二電子親和力係小於第一游離電勢；以及據此第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料中至少一者或各者的特徵為針對包含介約400nm至約700nm範圍內之波長的光至少103 cm-1 之光吸收係數。
  76. 根據申請專利範圍第75項之方法，其中該實質接觸為物理暨電性接觸。
  77. 根據申請專利範圍第75項之方法，其中該互混區實質上沒有孔隙。
  78. 根據申請專利範圍第75項之方法，其中該互混區實質上沒有電短路。
  79. 根據申請專利範圍第75項之方法，其中該互混區實質上沒有電分流。
  80. 一種形成光伏複合材料的方法，該方法包括：提供透明基材構件，該基材構件包含一表面區域；形成覆於該表面區域上方之透明電極構件；形成覆於該透光電極構件上方之第一奈米結構化材料，該第一奈米結構化材料具有多個第一奈米結構於其上以及第一奈米結構化材料的第一表面區域；使第一奈米結構化材料的第一表面區域經受一或多種具有具流體特徵之多個第二奈米結構的流體，以致使由該多個第一奈米結構及由該一或多種流體所形成之第二奈米結構化材料提供的互混區形成，俾使互混區的特徵為該多個第一奈米結構和第二奈米結構化材料係呈實質接觸；使用一或多個製程處理包括互混區之第一奈米結構化 材料與第二奈米結構化材料，以提供代表第一奈米結構化材料特徵的第一電子親和力與第一游離電勢，以及代表第二奈米結構化材料特徵的第二電子親和力與第二游離電勢，據此第一電子親和力係小於第二電子親和力，第一游離電勢係小於第二游離電勢，且第二電子親和力係小於第一游離電勢；以及據此第一奈米結構化材料與第二奈米結構化材料中至少一者或各者的特徵為針對包含於約400nm至約700nm範圍內之波長的光至少103 cm-1 之光吸收係數；以及形成覆於該第二奈米結構化材料上方之電極。
  81. 根據申請專利範圍第80項之方法，其中電極係由金屬製成，該金屬係選自於鎢或鉬。
  82. 根據申請專利範圍第80項之方法，其中該透明基材構件為光學玻璃。
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