專利名稱：橫向收集光伏的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請總體上涉及電子和光電子器件以及用由納米結(jié)構(gòu)的高比表面積 (surface to volume ratio )多孔薄膜構(gòu)成的穿插網(wǎng)絡(luò)制造電子和光電子器件的 制造方法，在納米結(jié)構(gòu)的互聯(lián)的空隙體積內(nèi)設(shè)有有機/無機金屬、半導(dǎo)體或者 絕緣體材料。特別是，本申請涉及橫向收集光伏(LCP)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今，提出和使用納米粒子來提供高比表面積的材料。納米粒子除了提 供大的表面積外，還可以嵌入有機/無機半導(dǎo)體/絕緣體材料(納米復(fù)合體系) 中，以獲得高的界面面積，例如，這可以用于下面的光電子和電子應(yīng)用(a) 電荷分離功能，比如可用于光伏(photovoltaics )和檢測器；(b )電荷注入 功能，比如可用于發(fā)光器件；(c)電荷存儲功能，用于電容器；以及(d) 歐姆接觸類功能，比如可用于接觸分子電子結(jié)構(gòu)。
然而，利用納米粒子存在困難。這些困難包括它們的梯:作處理，另外， 對于電子和光電子應(yīng)用，還包括如何實現(xiàn)電接觸的問題。在由納米粒子復(fù)合 體系制作光電子器件的一個方法中，分離的納米粒子分散到有機材料的基體 中。為了實現(xiàn)電和光電子功能，每個納米粒子或者納米粒子表面必須電連接 到外部(通過成套的電極)。這在布置納米粒子使得它們互連到提供連續(xù)的 電通道至這些粒子的電極時而被實現(xiàn)。然而，對于分離的納米粒子的應(yīng)用，即使使得納米粒子的體積分數(shù)接近統(tǒng)一，這些粒子也通常不能進行良好的電 接觸。
傳統(tǒng)的光伏4喿作使用如圖1所示的基本水平結(jié)構(gòu)的一些形式。這里，光
入射在水平層上，并且所產(chǎn)生的光生電子和空穴、由光生激子(exciton)產(chǎn) 生的電子和空穴或者二者分別被電荷分離，在正(+ )電荷收集電極(陽極) 處收集正電荷，在負(-)電荷收集電極(陰極)處收集負電荷。在圖1所 示的結(jié)構(gòu)中，該器件由p型和n型固體半導(dǎo)體材料組成，其半導(dǎo)體材料用作 光吸收體，并且用作產(chǎn)生用于電荷分離的驅(qū)動機制的所謂的內(nèi)建電場的結(jié)形 成體。另一個水平結(jié)構(gòu)可以利用電子和空穴的親合力差(帶階或者帶偏移) 來驅(qū)動電荷分離，該結(jié)構(gòu)具有或者沒有內(nèi)建電場機制。對于圖1的光伏作用， 電荷分離必然導(dǎo)致在一個電極一陰極收集電子(圖1中的底部)而在另一個 電極一陽極收集空穴(圖1中的頂部)，產(chǎn)生可以做外功的電流(例如，圖1 中點亮燈泡)。
水平光伏結(jié)構(gòu)可以就兩個長度而言來描述吸收長度，是光在被有效吸 收之前穿入活性(吸收體)層(單層或多層)的距離，例如，該活性層為圖 1所示的p型和n型層；以及收集長度，描述活性層(active layer)中光生 電荷載流子能被分離或并收集到用于外部使用的電極的距離。在光生激子的 情況下，要考慮的收集長度通常是激子擴散長度。激子擴散長度描述激子通 過擴散移動的距離。諸如圖1所示的水平結(jié)構(gòu)中的收集和吸收長度實質(zhì)上彼 此平行。在這些水平結(jié)構(gòu)中，電極通常為固體，盡管一個或者二者也可以是 電解質(zhì)或者電介質(zhì)與固體的一些結(jié)合。電極也可以是多孔固體結(jié)構(gòu)或者非多 孔和多孔材料的某些結(jié)合。
在圖1的水平結(jié)構(gòu)中吸收長度和收集長度實質(zhì)上平行的事實意味著它們 不是孤立的。在諸如圖l所示的水平結(jié)構(gòu)中，為了有效的光伏操作，適當?shù)?收集長度或者頂活性層的長度必須足夠長以至少允許在頂活性層中通過吸 收產(chǎn)生的載流子被收集，并且適當?shù)氖占L度或底活性層的長度應(yīng)當足夠長 以至少允許在底活性層中通過吸收產(chǎn)生的載流子被收集，而且為了有效纟喿作 應(yīng)當至少與該材料的吸收長度一樣長。
圖1的水平結(jié)構(gòu)的一個替換方案是橫向收集方法，其利用^f吏用硅(Si) 晶片材料的單晶硅結(jié)構(gòu)?；谶@樣的概念，已經(jīng)開發(fā)了 Silver⑥太陽能電池。 然而，這樣的橫向收集方法利用單晶硅晶片。Silver 方法的目標是利用傳統(tǒng)的硅晶片型材料，而通過使用橫向收集來減少太陽能電池所需的形成Si
的昂貴成本。在這樣的工藝中，例如，單晶硅切割成50 jim厚、100mm長 和lmm深的條。圍繞硅而將這些條保持在一起。Silver 太陽能電池利用傳 統(tǒng)的硅技術(shù)，但是為"鍍銀的(silvered)"構(gòu)造。
這里公開的系統(tǒng)和/或方法的優(yōu)點旨在教導(dǎo)由相對低成本的材料優(yōu)選制 作改進光伏結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。其它的特征和優(yōu)點由本說明書變得明顯易懂。所公 開的教導(dǎo)延伸到落入權(quán)利要求范圍的各實施例，而與它們是否實現(xiàn)一個或多 個前述需要無關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本申請與諸如"鍍銀(slivering)"方法的其它技術(shù)相反，采用設(shè)置高比 表面積的材料來解決本領(lǐng)域的 一些問題。所設(shè)置的高比表面積材料允許容易 電接觸的易處理的高界面面積。
本申請涉及給導(dǎo)體或者導(dǎo)電基板上或基板上的圖案化成套電極上設(shè)置 納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的高比表面積材料。這樣的納米結(jié)構(gòu)(或者微米結(jié)構(gòu)) 的基本單元(基礎(chǔ)部分)埋在空隙基體中，該空隙基體具有高比表面積的屬 性但具有與導(dǎo)體的電連接屬性。 一旦膜材料的空隙網(wǎng)絡(luò)填充有活性材料，復(fù) 合物形成有高界面面積。此外，復(fù)合物結(jié)構(gòu)的每個部分保形地(conformally) 連接。因此，復(fù)合物系統(tǒng)包括界面的任何區(qū)域都具有到外部的連續(xù)電連接。
本申請的一個實施例針對于由納米結(jié)構(gòu)(或者微米結(jié)構(gòu))的高比表面積 材料和有機/無機基體的穿插網(wǎng)絡(luò)，該方法包括步驟a)在電極基板(或者 圖案化的電極基板)上獲得高比表面積膜材料，從而該膜材料的任何區(qū)域與 電極基板依靠形態(tài)而電連接。例如，膜材料可以包括電連接到電極基板并且 由空隙基體分離的納米和/或微米凸起的陣列；b)用有機/無機固體或者液體 材料填充高比表面積膜的空隙基體；以及c)將電極或成套的電極定義到空 隙基體中嵌入的有機或無機空隙內(nèi)材料。
本申請的另一個實施例利用橫向收集光伏(LCP)結(jié)構(gòu)的納米和/或微米 凸起收集單元的陣列和間隔。收集單元可以是金屬、半導(dǎo)體或者二者，并且
在一些實施例中，涉及絕緣體。在一套實施例中，收集單元(構(gòu)成陽極或陰 極)排列在導(dǎo)電層或者基板上，在此情況下，它們與導(dǎo)體電接觸且物理接觸。 在這樣的構(gòu)造中，單元陣列和導(dǎo)體構(gòu)成電極。收集單元自身也可以用作導(dǎo)體，并且因此在另一個實施例中可以是完整的電極。這些收集單元基本上垂直于 導(dǎo)體。在所有描述的實施例中，吸收體，或者更一般地講活性材料，設(shè)置在 收集體單元之間。正如這里所采用的，活性材料可以包括這樣的材料，該材 料為一種或多種吸收體材料，沒有結(jié)合收集體材料或結(jié)合一種或多種收集體
(分離器(separator))材料或者改善活性材料和電極或?qū)w間界面接觸的材 料。所有的收集體單元和吸收體或者活性材料以某種方式設(shè)置，包括蝕刻、 物理沉積、化學(xué)沉積、原位生長、沖壓(stamping)或壓印(imprinting )。 收集體單元材料可以是導(dǎo)體或者半導(dǎo)體，其也可用作吸收體。本申請還包括 幾種不同形狀的收集體結(jié)構(gòu)及其單元。設(shè)置吸收體或者活性材料的收集體間 (inter-collector)單元可以是有機或無機的，并且可以是晶體(單晶或多晶) 或非晶的。吸收體或活性材料可以是固體或液體，或者其某種結(jié)合。在進一 步的實施例中，收集單元是從納米粒子催化劑或者不連續(xù)的催化劑膜生長的 納米單元。在這些實施例中，收集單元可以不必垂直于導(dǎo)體排列。
在橫向收集概念的另一套實施例中，基板不導(dǎo)電，并且陽極和陰極單元 并排橫向排列。在橫向收集概念的又一套實施例中，至少陽極或陰極由納米 和/或微米級收集單元的陣列構(gòu)成并沒有到任何導(dǎo)電基板的直接物理接觸和 電接觸。在一個實施例中， 一個電極是復(fù)合物，其中導(dǎo)體由作為每個收集體 單元一部分的絕緣體與相對電極分隔，并且該相對電極是覆蓋表面的導(dǎo)體。 在另一個實施例中，收集結(jié)構(gòu)是復(fù)合物，包含橫向收集的陽極和陰極收集單 元。相對電極可以或者可以不與覆蓋表面的導(dǎo)體接觸。
進一步的實施例針對于光伏器件，該光伏器件具有第一導(dǎo)電層、與第一 導(dǎo)電層物理接觸且電接觸的收集結(jié)構(gòu)、設(shè)置為與第一導(dǎo)電層相鄰并且與收集 結(jié)構(gòu)的所有表面接觸的活性層以及設(shè)置為與第一導(dǎo)電層相對且與活性層4妾 觸的第二導(dǎo)電層?；钚詫泳哂形臻L度和收集長度。收集結(jié)構(gòu)包括多個收集 體單元，設(shè)置為基本上垂直于導(dǎo)電層。多個收集體單元從第一導(dǎo)電層延伸對 應(yīng)于活性層的吸收長度的距離，并且多個收集體單元分隔開對應(yīng)于活性層的 收集長度的兩倍的距離。
這里描述的各實施例的某些優(yōu)點體現(xiàn)在發(fā)電上的應(yīng)用，如光伏電池的應(yīng) 用。所公開的實施例也可以應(yīng)用于光檢測器、化學(xué)傳感器、電致發(fā)光器件和 發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。在電致發(fā)光器件和發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的情況下，載流子流動 方向與光伏器件相反，并且載流子被注入而不是被收集。所公開的實施例具有大電極面積和各種電極構(gòu)造，應(yīng)用于化學(xué)電池、燃料電池和電容器。 征的結(jié)合。


圖1圖解了現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)合傳統(tǒng)光伏電池的器件。
圖2圖解了橫向收集的光伏結(jié)構(gòu)。 圖3圖解了具有柱狀單元的收集結(jié)構(gòu)。 圖4圖解了具有蜂窩狀單元的收集結(jié)構(gòu)。 圖5圖解了具有鰭狀單元的收集結(jié)構(gòu)。 圖6圖解了采用非晶硅的實施例。
圖7圖解了使用設(shè)置在收集體單元之間的催化劑層的吸收活性層的生長。
圖8圖解了基板上的圖案化的催化劑。 圖9圖解了通過VLS法生長的柱/棒。
圖10圖解了嵌入光伏結(jié)構(gòu)的活性層中由催化納米粒子生長的納米單元。 圖11圖解了嵌入光伏結(jié)構(gòu)的活性層中由不連續(xù)催化劑膜生長的納米單元。
圖12圖解了橫向收集光伏器件的電極結(jié)構(gòu)。 圖13圖解了圖12的橫向收集光伏器件的截面圖。 圖14圖解了一個電極設(shè)置在基板上的第二電極上的復(fù)合電極結(jié)構(gòu)。 圖15圖解了具有圖14的復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的光伏器件的截面圖。 圖16圖解了每個部件都包括兩個電極的復(fù)合電極結(jié)構(gòu)。 圖17圖解了具有圖16的復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的光伏器件的截面圖。 圖18圖解了具有分隔電極的絕緣體的光伏器件的截面圖。 在任何可能的情況下，各圖中采用相同的附圖標記指代相同或者相似的 部分。
具體實施例方式
圖2示出了橫向收集光伏的結(jié)構(gòu)。除了圖2中涉及的收集長度實質(zhì)上垂 直于吸收長度外，圖2的橫向收集結(jié)構(gòu)具有很多圖1的水平構(gòu)造的特征。因此，收集長度和吸收長度已經(jīng)變?yōu)楸舜霜毩?。圖2的橫向收集結(jié)構(gòu)可以具有 在實質(zhì)上全部活性材料的收集長度內(nèi)的收集界面。在美國專利No. 6,399,177、美國專利No. 6,919,119和美國專利申請^>開No. 2006/0057354 中，詳細地描述了圖2的橫向收集結(jié)構(gòu)，因此，將這些專利和申請的全部內(nèi) 容引用參考于此。
圖2的橫向收集光伏結(jié)構(gòu)由膜材料和形成大界面面積的金屬、半導(dǎo)體或 者絕緣體材料的穿插網(wǎng)絡(luò)制作。高比表面積膜材料可以包括收集體結(jié)構(gòu)110, 即導(dǎo)電層112上由多個空隙或者空隙基體分隔的一個或者多個收集體單元的 陣列，例如，納米和/或微米凸起的陣列，該導(dǎo)電層112在非導(dǎo)電基板114 上。在另一個實施例中，基板可以是導(dǎo)電材料，并且可以用作導(dǎo)電層。收集 體結(jié)構(gòu)110和導(dǎo)電層112的結(jié)合可以用作光伏結(jié)構(gòu)的電極。
納米和/或微米凸起可以具有各種其它形態(tài)，只要每個納米和/或微米級 基本單元都具有到導(dǎo)電層或者導(dǎo)體112的連續(xù)的電荷傳導(dǎo)通道，或者它們自 身起導(dǎo)體的作用。正如這里所使用的，納米級是指約Iran和約100nm之間 的尺寸，而微米級是指約100nm和小于1000pm之間的尺寸?？障扼w積可以 填充有合適的活性層116，如有機/無機半導(dǎo)體材料。第二導(dǎo)體(或者與第二 套導(dǎo)體接觸的成套的納米和/或微米凸起單元)118設(shè)置在活性層116上，形 成器件對向電極。接觸105與導(dǎo)體112和118電連接，以提供到外界的連接。
在另一個實施例中，高比表面積膜材料的基本單元可以包括納米結(jié)構(gòu)， 例如，納米管、納米棒、納米線、納米柱或者其集合體、定向分子、原子鏈、 分子鏈、富勒烯、納米粒子、納米粒子的集合體及其任何結(jié)合或者^:米結(jié)構(gòu)。 高比表面積膜的基本材料可以包括硅、二氧化硅、鍺、氧化鍺、銦、錫、鎵、 鎘、硒、碲及其合金和化合物、碳、氫、氧、半導(dǎo)體、絕緣體、金屬、陶瓷、 聚合物、其它無機材料、有機材料或者其任何結(jié)合。例如，通過化學(xué)氣相沉 積、等離子體增強化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積或者電沉積而將電極單元結(jié) 構(gòu)高比表面積膜沉積在導(dǎo)電層112上或者在圖案化的基板上(如果基板為導(dǎo) 電的)。也可以通過蝕刻或者電化學(xué)蝕刻獲得膜。
活性層材料可以包括有機和無機半導(dǎo)體、半導(dǎo)體粒子、金屬粒子、有機 金屬、自組裝(self assembling )分子層、共軛聚合物及其任何結(jié)合。活性層 材料或者其前驅(qū)體可以以液體形式、熔化形式、溶解在溶劑中，或者通過電 化學(xué)方法來涂覆。另外，活性層材料可以通過將薄膜材料暴露到活性層材料或者其前驅(qū)體的蒸氣而嵌入空隙基體中，因此使蒸氣在空隙基體內(nèi)凝結(jié)。這 樣的蒸氣可以通過包括霧化的化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積技術(shù)產(chǎn)生。
如上所述，光101入射在該結(jié)構(gòu)上，并且所產(chǎn)生的光生電子和空穴、由
光生激子產(chǎn)生的電子和空穴或者二者分別電荷分離，以在正(+)電荷收集 體(陽極)收集正電荷以及在負(-)電荷收集體(陰極)收集負電荷。為 了光伏作用，電荷分離必須導(dǎo)致電子運動到一個電極一陰極，而空穴運動到
另一個電極一陽極，從而產(chǎn)生電流。如上所述，收集結(jié)構(gòu)110和導(dǎo)電層112 可以用作陽極或者陰極。
如果通過光致激發(fā)產(chǎn)生(即為光生的)激子，則收集結(jié)構(gòu)110的收集體 單元也能夠?qū)]有在活性層116中轉(zhuǎn)化成電子和空穴的任何激子收集(通過 在活性層116中的擴散)到收集體單元表面，以便在這些表面上能使激子轉(zhuǎn) 換成自由電子和空穴對。激子的收集建立了橫向激子收集長度。如果活性層 116由多個部分形成，則橫向激子收集長度是有效的激子收集長度。
如果電子和空穴直接由光致激發(fā)產(chǎn)生(即為光生的)，或者通過在活性 層中將光生激子分解而產(chǎn)生，則收集結(jié)構(gòu)110的收集體單元應(yīng)當能夠?qū)⒆杂?電子或者空穴收集(通過在活性層116中漂移、帶邊變化(band edge variation),擴散及其任何結(jié)合)到收集體單元表面。電子或者空穴的收集建 立了橫向自由載流子收集長度。如果活性層116由多個部分形成，則橫向自 由載流子收集長度為有效的自由載流子收集長度。通常，自由載流子(電子 或者空穴)的選擇確定了收集結(jié)構(gòu)110的單元間陣列間隔C,其基于這樣的 情況自由載流子具有越差的遷移率，相等地，收集長度越差。如果激子通 過收集單元表面分解，則收集結(jié)構(gòu)110可以設(shè)計為使得激子收集長度不小于 收集結(jié)構(gòu)110的約半個單元間陣列間隔C。沒有通過收集結(jié)構(gòu)110拾取的其 它自由載流子(電子或空穴)將具有基本上約到對向電極的最長距離的收集 長度，稱為垂直收集長度。
如果激子是收集體單元表面上收集的主要實體，則收集結(jié)構(gòu)110可以以 激子確定橫向收集長度來設(shè)計，并且由此確定單元間或者收集體結(jié)構(gòu)陣列間 隔C。如果自由載流子是在收集體單元表面上收集的主要實體，則收集結(jié)構(gòu) 110可以設(shè)計為使得收集的載流子是具有較低遷移率的載流子。在此情況下， 自由載流子的收集長度是橫向收集長度，并且該橫向收集長度確定了收集體 結(jié)構(gòu)間隔C。收集結(jié)構(gòu)110的收集單元主要收集激子還是自由載流子，收集結(jié)構(gòu)110提供實質(zhì)上所有活性材料的適當收集長度內(nèi)的收集界面。收集結(jié)構(gòu) 110自身可以是或者可以不是吸收體。這樣的靈活性是可能的，這是因為如 果選擇為不是吸收體，則收集結(jié)構(gòu)110 (以及其對應(yīng)的收集體單元)對進入
光101應(yīng)當呈現(xiàn)至少一個優(yōu)選為納米級的尺寸w，由此產(chǎn)生最小化的死(不
吸收光的)體積。才艮據(jù)收集結(jié)構(gòu)110采用的材料，收集結(jié)構(gòu)110除了收集光 生實體(激子和/或自由載流子)夕卜，可以是(1)吸收體，(2)用于增強光 反射和捕獲，(3)用于束綽量子點、單層或者其它材料以提高性能，以及U) 與吸收過程交互作用的等離子體振子源(source for plasmons)。另外，活性 材料具有與導(dǎo)體材料一樣的所有上述可能。
本申請的橫向收集結(jié)構(gòu)可以采用各種形狀。圖3-5示出了收集結(jié)構(gòu)110 (以及對應(yīng)收集體單元)的三個實施例。圖3-5的收集結(jié)構(gòu)實施例及其結(jié)合 和變化可以設(shè)置在導(dǎo)體112上。然而，在圖4和5的實施例中，收集結(jié)構(gòu)110 可以用作電極而沒有導(dǎo)體，并且直接設(shè)置在基板114上。圖3示出了與圖2 類似的由柱狀收集體單元陣列組成的收集結(jié)構(gòu)。圖4是由"蜂窩狀"收集體 單元陣列組成的收集結(jié)構(gòu)，而圖5是由"鰭狀"收集體單元陣列組成的收集 結(jié)構(gòu)。盡管圖3-5圖解了收集結(jié)構(gòu)110的幾個示例，但是應(yīng)當理解的是，可 以采用任何適合的橫向收集結(jié)構(gòu)。
當在光伏電池中采用收集結(jié)構(gòu)110時，圖3-5所示的特征陣列間隔尺寸 C可以選擇為用于填充收集體單元間或者收集體單元之間區(qū)域的空隙或者區(qū) 域的活性材料的橫向收集長度的大約兩倍(適合于激子或自由載流子)。圖 3-5中收集體單元間區(qū)域中設(shè)置的活性材料是這樣的，它與這些實施例的收 集或者收集體結(jié)構(gòu)110具有收集界面。圖3-5中的尺寸A基于活性(或者吸 收體)材料的吸收長度和垂直收集長度，適當選擇。應(yīng)當注意的是，活性材 料包含吸收體材料或多種原料，以及可以是有機或無機半導(dǎo)體材料的組合、 光吸收分子，并且可以包含染料、諸如量子點的納米粒子或者等離子體振子 生成金屬粒子或其組合。基于圖3-5的收集結(jié)構(gòu)110的光伏結(jié)構(gòu)中電極的導(dǎo) 體或者單元的任何一個或者二者可以是透明的、導(dǎo)電的材料，例如，包括錫 氧化物、鋅氧化物或者銦錫氧化物。反射體結(jié)構(gòu)可以設(shè)置在一個電極的導(dǎo)體 的后面或者使用一個電極的導(dǎo)體。收集體結(jié)構(gòu)110也可以是整體電極(即沒 有連接到收集體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層)，反射器/光捕獲結(jié)構(gòu)或者二者。
在根據(jù)圖3-5的收集結(jié)構(gòu)110的光伏結(jié)構(gòu)中，活性材料具有兩倍于橫向收集長度的量級的至少一個尺寸c和吸收長度(或者如果適合，垂直收集長 度)的量級的另一個尺寸A。當涉及垂直收集長度時，尺寸A可以是吸收長 度和垂直收集長度的較小者。在根據(jù)圖3-5的收集結(jié)構(gòu)110的光伏結(jié)構(gòu)中， 活性(吸收體)和收集體材料可以采用諸如蝕刻和/或沉積、原位生長、沖壓 或壓印的技術(shù)制作。可采用的沉積技術(shù)包括化學(xué)氣相沉積、包括電化學(xué)生長 法的液體沉積和物理氣相沉積法。
活性材料存在于收集體結(jié)構(gòu)110的收集單元之間?；钚圆牧峡梢圆捎煤?多方法形成。下面提供幾種合適的而不是全部的這樣的方法。
活性材料可以是沉積的薄膜非晶硅(a-Si:H)。典型的薄膜非晶硅可以具 有約O.l,um至約l.um的收集長度和小于約lpm的吸收長度。圖6示出了光 伏器件或者電池的實施例，其結(jié)合了圖3-5 (截面圖所示)的收集體結(jié)構(gòu)110 的柱狀、蜂窩狀或者鰭狀收集體單元110。對于a-Si:H材料，收集體結(jié)構(gòu)的 收集體單元之間的陣列間隔范圍為約0.2 pm至約2 (im,即進入或在微米量 級內(nèi)。圖6所示實施例的薄膜a-Si:H可以根據(jù)需要摻雜，并且釆用標準技術(shù) 沉積，如等離子體沉積或者低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)。前者可以涉及低 至約200。C或者更低的溫度。后者通常涉及約50(TC或者更低的溫度。在圖6 的實施例中，收集體結(jié)構(gòu)110已經(jīng)選擇為金屬，并且頂導(dǎo)體或者電極118是 透明導(dǎo)電氧化物，在頂電極118下有摻雜的a-Si:H層120和在摻雜的a-Si:H 層120下有摻雜或者未摻雜的a-Si:H層122。在另一個實施例中，a-Si:H可 以這樣設(shè)置，在頂電極118下的層為n或p型材料，并且收集體結(jié)構(gòu)110可 以是半導(dǎo)體材料。如果采用具有諸如鰭狀或者蜂窩狀收集體的收集體單元的 收集體結(jié)構(gòu)110,則能夠省略收集體結(jié)構(gòu)110下的電極，即提供橫向連續(xù)電 通道的結(jié)構(gòu)也可以用作電極，并且連接到電引線105。此外，收集體結(jié)構(gòu)110 可以利用標準的束縛和粘附方法，用于粘合界面層、諸如量子點的粒子或者 對每個吸收的光子給出多個電子/空穴對產(chǎn)生的粒子。收集體結(jié)構(gòu)110也可以 用作反射/光捕獲結(jié)構(gòu)或者其一部分，以及用于影響吸收過程的等離子體振子 源。所有的實施例都一樣，收集體結(jié)構(gòu)110 (以及對應(yīng)的收集體單元)的材 料成分選擇為針對于收集體電阻、要求的功函數(shù)差(與對向電極)，從而來 幫助建立內(nèi)建電場，或者來具有帶階(偏移)來幫助收集或其一些組合。
收集體結(jié)構(gòu)IIO可以通過各種技術(shù)制造，包括(l)蝕刻、(2)沉積、(3) 原位生長、(4)沖壓，或者通過(5)壓印，包括在實際的收集體結(jié)構(gòu)110中按壓(鑲嵌)。在沉積技術(shù)中，示范性的制作方法是將收集體圖案轉(zhuǎn)移到
采用光刻技術(shù)獲得的圖案化嵌段共聚物(block co-polymer)或者圖案化抗蝕 劑，光刻技術(shù)可以包括束流、壓印、沖壓或者光學(xué)方法。例如，收集體材料 可以沉積在所產(chǎn)生的圖案化的嵌^:共聚物或者抗蝕劑中作為薄膜，然后通過 剝離而圖案化，制造諸如圖3-5所示的結(jié)構(gòu)。當采用嵌^:共聚物的材料時， 可以使嵌段共聚物在適當位置而去除一相(phase)來執(zhí)行沉積。存在去除相 的區(qū)域變?yōu)槭占w單元的位置。然后，留下的聚合物可以采用標準的剝離技 術(shù)去除。
在原位生長的情況下，收集體結(jié)構(gòu)110的單元生長為例如如圖3-5所示 的形狀。收集體結(jié)構(gòu)110的單元生長例如可以采用氣-液-固(VLS)技術(shù)實 現(xiàn)，其中圖案化催化劑首先設(shè)置在表面上(如果收集體結(jié)構(gòu)110是整體電極) 或者在表面上的底部導(dǎo)體112上(如果收集體結(jié)構(gòu)110設(shè)置在導(dǎo)體上，其可 以被圖案化)。催化劑可以通過諸如自組裝的技術(shù)(例如，釆用硫醇粘合劑 4吏催化劑粒子束縳在圖案化的Au上)設(shè)置在圖案化的導(dǎo)體上，或者可以采 用上面討論的例如蝕刻或者沉積技術(shù)的任何一個圖案化，以圖案化沉積的材 料，還有其它技術(shù)，如噴墨印刷或者蘸筆法(dip pen approach)。然后，收 集體單元自身以要求的溫度由前驅(qū)體生長在催化劑的位置。例如，如果收集 體結(jié)構(gòu)110為硅，則前驅(qū)體為含硅化合物，如硅烷，并且采用金(Au)作為 催化劑的溫度可以為550。C左右或者更低。如果硅(Si)要被摻雜，則含有 摻雜物的材料也可以與催化劑或者前驅(qū)體來使用。生長后呈現(xiàn)的任何殘留催 化劑可以采用對催化劑特效的蝕刻劑(例如，Si生長的Au催化劑的金蝕刻 劑)從收集體單元去除。對于W是收集體單元特征寬度的收集體結(jié)構(gòu)110， 用于收集體生長的納米粒子催化劑可以用作自動獲得圖3-5中的有利的縱對黃
比(A/W),即大于一。例如，如果碳納米管或線的納米粒子催化劑沖壓在 收集體圖案中的表面上，則可以拓展納米管或線生長以給出具有有利的縱橫 比的實質(zhì)上垂直的收集體單元。這些結(jié)構(gòu)可以用作收集體單元，如制造時的 結(jié)構(gòu)或者被涂覆(例如，通過電化學(xué)法)。
在壓印的情況下，收集體結(jié)構(gòu)110可以在包括玻璃、金屬箔或者塑料的 基板上，通過按壓(鑲嵌)到已經(jīng)存在的活性(吸收體)材料而定位，由此 也導(dǎo)致圖6中的結(jié)構(gòu)。對于鑲嵌法(in lay approach)的收集體結(jié)構(gòu)110已與 上面討論的制造收集體結(jié)構(gòu)110相同的方法生產(chǎn)，例如，它們可以通過蝕刻或者沉積制造，所用的技術(shù)可以采用嵌段共聚物、印刷或者沖壓技術(shù)、光學(xué) 或者電子束光刻以及沉積/剝離或者其它方法，如電化學(xué)沉積。在該實施例中， 收集體單元可以在導(dǎo)電表面上或者自身是整個電極。
催化劑定位或者通過霧化或者通過氣-液-固(VLS)沉積的技術(shù)也可以 用于形成收集體單元間區(qū)域或者吸收體或者收集體結(jié)構(gòu)110的活性材料。收 集體結(jié)構(gòu)110也可以是吸收體自身。在所有的這些結(jié)構(gòu)中，光可以從設(shè)置收 集體結(jié)構(gòu)110的一側(cè)(頂或底)進入或者從另一側(cè)進入。因此，在這些結(jié)構(gòu) 類型中，除非在結(jié)構(gòu)中采用反射體，光可以進入頂側(cè)、底側(cè)或者頂側(cè)和底側(cè) 二者。在頂/底電極設(shè)置(例如，圖2-6)中，如果需要，收集體結(jié)構(gòu)110可 以定位在頂或底或者頂和底二者。
在另一個實施例中，在收集體單元間定位的活性材料是通過三種技術(shù)之 一制造的薄膜晶體硅(1) a-Si的晶化，(2)多晶硅沉積，或者(3)諸如 氣-液-固(VLS)沉積的催化處理。
非晶硅(a:Si)可以通過爐退火或者快速熱退火(RTA)進行的固相晶 化(SPC)轉(zhuǎn)換為多晶硅(poly-Si)。沉積在收集體單元間的薄膜非晶硅可以 在整個電池制作后或者在非晶硅材料沉積后通過SPC轉(zhuǎn)換成多晶硅吸收體 材料。如果采用RTA，則給出了這樣的示例溫度-時間步驟，750°C RTA曝 光在一分鐘內(nèi)可以產(chǎn)生所需的結(jié)晶化。典型的SPC多晶硅可以具有 10 pm 的收集長度和 10 的吸收長度。收集長度和吸收長度確定了收集體結(jié)構(gòu) IIO的尺寸C和A,如果是非吸收體，其單元可以具有納米級W值，例如， 柱直徑、鰭厚度或者蜂窩厚度。如果單元是吸收體材料，則這些直徑/厚度 W尺寸不需要是納米級，而是為了效率進行優(yōu)化而保持尺寸C和A。
薄膜多晶硅和/或鍺可以直接沉積為定位在收集體單元之間的吸收體，例 如，在約580。C或者更高的溫度下通過LPCVD沉積。典型的沉積多晶硅可 以具有約5 pm的收集長度和約10拜的吸收長度。收集長度和吸收長度確 定了收集體結(jié)構(gòu)IIO的尺寸C和A。
薄膜晶體硅和/或鍺以及其它吸收體材料可以通過氣-液-固(VLS)和現(xiàn) 有的沉積技術(shù)直接沉積在收集體單元之間的區(qū)域。在該實施例中，可以如圖 7所示沉積用于Si VLS生長的諸如Au的催化劑128。在圖7所示的實施例 中，收集體單元之間的區(qū)域可以包括摻雜的多晶硅層124和相反摻雜、未摻 雜或者二者的VLSSi層(多層)126。催化劑128的沉積可以用任何標準技術(shù)完成，如物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積、電化學(xué)沉積或者自組裝
(self-assembly )。如果收集體結(jié)構(gòu)110還用作電極，則催化劑128可以直接 設(shè)置在基板114上，或者催化劑128可以設(shè)置在導(dǎo)體112上。通過束縛的自 組裝比如通過硫醇粘合劑將Au催化劑粒子耦合到導(dǎo)體可以應(yīng)用于現(xiàn)有的導(dǎo) 體。然后，其上具有收集體結(jié)構(gòu)110和VSL催化劑層128的基板114被放 置在VLS反應(yīng)器中。引入諸如硅烷的硅前驅(qū)體(Au作為催化劑時在 T 450-55(TC下)，并且Si前驅(qū)體的分解導(dǎo)致Si在Au膜中液相的Au/Si合金 中的建立。然后，當Si濃度超過臨界水平時Si被排出并導(dǎo)致收集單元間區(qū) 域中結(jié)晶Si的生長。然后，根據(jù)需要，可以從結(jié)晶Si的外表面蝕刻掉催化 劑(例如，Au) 128。因為該材料可以高度結(jié)晶，所以其收集長度和吸收長 度至少可以是多晶硅的收集長度和吸收長度。這些長度決定了所采用收集體 結(jié)構(gòu)IIO的尺寸C和A。
在該VLS吸收體生長方法中，催化劑128可以用已有收集體單元定位。 如果需要，催化劑128可以比如通過掩模來避開收集體單元的頂表面。作為 選擇，催化劑128可以在收集體單元存在之前定位。在該實施例中，催化劑 128采用標準的方法沉積并具有容放要采用的收集體結(jié)構(gòu)110所需的必要圖 案。該圖案采用包括嵌段共聚物、沖壓、壓印或者束流或者光刻法以及剝離 和/或蝕刻的方法產(chǎn)生。在VLS生長后，吸收體區(qū)域例如通過使用沉積規(guī)定 收集體圖案，從而定位收集體。也可以采用剝離和/或蝕刻。
采用諸如圖3-5所示的收集體結(jié)構(gòu)110 (以及對應(yīng)的收集體單元)制作 太陽能電池可以利用化合物半導(dǎo)體作為定位在收集體單元之間的活性材料。 在該實施例中，化合物半導(dǎo)體僅可以用作吸收體或者吸收體/收集體，并且可 以包括有機或無機粒子或分子的添加物。沉積這樣薄膜的技術(shù)是公知的，并 且包括膠體化學(xué)技術(shù)的包括類似于上述討論的VLS型方法。
有機材料(一種材料或多種材料)可以直接設(shè)置為活性材料，通過各種 物理和化學(xué)方法定位在收集體單元之間。物理方法包括升華、霧化和鑄造。 化學(xué)方法包括電化學(xué)聚合、氣相反應(yīng)、氣相聚合、表面引發(fā)聚合和表面終止 聚合(surface-terminated polymerization )。在后者的方法中，單元或者化合物 可以沉積在表面上，且用作反應(yīng)引發(fā)劑(reaction initiator )。引發(fā)劑和基板之 間結(jié)合的實質(zhì)是化學(xué)鍵(離子的或共價的)，諸如氫鍵的弱結(jié)合或者偶極子-偶極子交互作用(dipole-dipole interaction )。盡管所述工藝可以用于在收集體單元之間產(chǎn)生活性層(吸收體)，但是該工藝也可以用于形成活性區(qū)域中 的收集體單元，以及形成收集體單元的表面層。為了產(chǎn)生收集體單元自身的 特定目的，這些工藝也可以針對于發(fā)生在平面基板上。
在形成活性層的表面引發(fā)方法中，有機分子以 一種方法暴露到基板束縛 的或者收集體單元束縛的引發(fā)劑，引發(fā)所希望的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)利用的分子 在尺寸上從實質(zhì)上幾個原子到高分子。只要分子呈現(xiàn)為增殖，反應(yīng)就會進行，
或者直到引入終止分子(termination molecule )。最后產(chǎn)生的分子可以以可控 的厚度高序排列?？梢圆捎脷庀嗑酆匣蛘弑砻嬉l(fā)聚合。
在表面終止方法中，在給出所希望的物理和化學(xué)特性的條件下在溶液中 形成高分子。然后，高分子暴露到包含終止基團的表面。位于表面上的終止 基團結(jié)束高分子的增殖，而同時將其錨固于表面。該方法允許利用典型溶液 聚合技術(shù)，而保持控制表面覆蓋范圍和密度。
結(jié)晶硅或者非晶硅或者其它無機半導(dǎo)體也可以用作形成收集體結(jié)構(gòu)110 的材料。例如，根據(jù)需要，可以采用薄膜晶體硅并且n型或者p型摻雜。為 了形成收集體結(jié)構(gòu)110 (例如，柱、鰭、蜂窩)，可以以必要的圖案化催化劑 128來使用VLS方法。適合于柱狀生長的圖案化的催化劑128如圖8所示。 例如，采用已知的印刷技術(shù)通過印刷含金層，可以實現(xiàn)這樣的圖案化催化劑。 這樣的含金層可以由例如含金墨水，或者設(shè)計為粘附到接觸的基板的功能化 Au納米顆粒的材料組成。對于圖8所示的該圖案化催化劑和VLS方法，在 該示例中可以生長柱，如圖9所示。然后，可以通過簡單的蝕刻去除定位在 單元頂上(和任何側(cè)壁上)的催化劑。然后，在收集體單元之間定位活性材 料。對于收集體單元功能，可以使用各種催化劑，并且可以生長其它半導(dǎo)體 以及金屬。通常，可以采用這樣的定位技術(shù)獲得催化劑的沉積和圖案化，包 括沖壓、靜電印刷、印刷和蘸筆(dippen),或者通過在從采用嵌段共聚體、 壓印、束流或光學(xué)光刻的蝕刻或剝離圖案化時釆用其它標準的物理的和氣相 的沉積技術(shù)或者電化學(xué)沉積。
根據(jù)催化劑的類型和形狀的具體情況，以及是否由粒子組成(圖10 )或 者是不連續(xù)膜(圖11)，收集體單元垂直于基板的程度可以變化。在圖10 和11的結(jié)構(gòu)中，具體示出了納米單元132的情形，光可以通過頂導(dǎo)體118 或者底導(dǎo)體112進入器件。 一個導(dǎo)體，例如，圖10中的底導(dǎo)體112,具有納 米單元132，例如納米線或者納米管，電連接到表面覆蓋導(dǎo)體，并且從導(dǎo)體延伸穿入活性層116中。另一個導(dǎo)體，例如，圖10中的頂導(dǎo)體i18不必具 有納米單元，這為圖IO所示的情形。納米單元132旨在幫助光生載流子的 收集。如果圖10中的底導(dǎo)體112是陽極，則納米單元132設(shè)計為收集空穴
(無論是從活性層收集的自由空穴，在單元表面通過分解激子產(chǎn)生的空穴， 或者其結(jié)合)。如果圖10中的底導(dǎo)體112是陰極，則納米單元132設(shè)計為收 集電子(無論是從活性層收集的自由電子、在單元表面通過分解激子產(chǎn)生的 電子或者其結(jié)合)。納米單元132的材料成分選擇為增強所收集載流子的遷 移率，以提供必要的功函數(shù)差(與頂導(dǎo)體118)而幫助建立內(nèi)建收集電場， 或者具有帶階(偏移)而幫助收集，或者其某種結(jié)合。光生實體產(chǎn)生在活性 材料中，活性材料可以是有機、無機或者結(jié)合的材料體系，定位于導(dǎo)體112 和118之間，以及在穿透納米單元132之間?；钚詫?16可以包含半導(dǎo)體、 染料、量子點、金屬納米粒子或者其結(jié)合?；钚詫硬牧峡梢允枪馕阵w或者 吸收體與產(chǎn)生電荷的收集體或者多個收集體的混合。活性層材料體系可以通 過各種生長和沉積方法制造，包括化學(xué)和電化學(xué)方法、化學(xué)氣相沉積或者物 理氣相沉積?；钚詫硬牧象w系也可以包含電解質(zhì)。
圖10和11的結(jié)構(gòu)可以采用催化方法定位和制造。圖IO所示的納米粒 子130用于穿入活性層116的納米單元132生長的催化劑。納米粒子130在 納米單元132生長后可以保留或者可以不保留。金屬納米粒子130可以設(shè)計 為在生長后保留，以用于產(chǎn)生等離子體振子而提高活性層116上的光吸收。
可以首先生長納米單元132，然后在納米單元132周圍生長或沉積活性 層116。例如，納米粒子/單元(納米線或者納米管)體系可以是用于硅納米 線的生長的金納米粒子和用于碳納米管和納米絲的鐵或鐵基納米粒子。作為 具體的示例，在Si的情況下，首先，通過旋涂、噴涂、沖壓、印刷或者包 括利用細菌的其它分散技術(shù)沉積催化劑納米粒子，從而可以在底電極上生長 硅納米線。隨后，被涂覆的底導(dǎo)體置于用于Si納米線生長的生長室中，Si 納米線的生長例如可以通過采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的氣-液-固
(VLS)技術(shù)完成，在生長期間利用例如硅烷、二氯甲硅烷等的Si前驅(qū)體氣 體，或許對于納米線摻雜而利用摻雜氣體。所形成的納米線的密度和方向可 以采用催化劑尺寸、類型和布置以及沉積參數(shù)進行調(diào)整。對于諸如C、 ZnO、 GaN和CdTe納米管和納米線的其它半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的生長可以采用相同的 催化方法。在碳的情況下，首先，通過旋涂、噴涂或其它分散技術(shù)沉積催化劑納米 粒子，從而可以在底導(dǎo)體上生長碳納米通道或者納米絲。隨后，涂覆后的底 導(dǎo)體置于用于生長碳納米管或者納米絲(納米線)的生長室中(例如，采用
碳前驅(qū)體氣體和低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD))。
根據(jù)催化劑納米粒子尺寸和單元生長條件，圖IO所示的催化劑納米粒 子130在生長期間實際上可以從底導(dǎo)體112上消失，這是由于它們依附在生 長的納米單元132的頂上，或者它們結(jié)合到生長的納米單元132中。由這樣
隨機方位，或者更加有序地垂直于底導(dǎo)體112,這取決于催化劑納米粒子的 尺寸和生長條件。在任何條件下，得到的納米單元132至少在它們穿入活性 層116中的一部分上橫向收集。
作為在底導(dǎo)體112或頂導(dǎo)體118上定位催化劑納米粒子130的選擇，可
可以通過諸如蘸筆或者沖壓的定位技術(shù)制造催化劑材料的不連續(xù)膜。例如， 厚度小于約10nm的物理沉積的金屬膜通常是不連續(xù)的，由此有效地給出由 納米島覆蓋的表面，這可用作所需納米線或者納米管生長的催化劑。
橫向收集方法可以采用構(gòu)成相對電極的單元，如圖12所示。橫向收集 概念不要求陰極和陽極布置為如圖1-7、 10和11所示，即不需要一個電極在 另一個的電極的上面，而是兩個電極可以橫向地彼此面對。在橫向電極布置 中，光生實體(激子和/或自由空穴和電子)實質(zhì)上全部以橫向的方式完成， 即實質(zhì)上與吸收長度方向成90度。前面討論的術(shù)語"垂直收集長度"現(xiàn)在 是指橫向長度。此外，吸收長度和垂直收集長度彼此不再具有任何關(guān)系。例
如，在圖10的實施例中，只有一種載流子(通常具有較差遷移率的那種) 的收集以與吸收長度方向成角度完成。在兩個電極都橫向設(shè)置的橫向收集方 法中，通常，兩個電極(陽極和陰極)每一個都由獨立的納米和/或微米級單 元的陣列形成。
對于兩個電極都橫向設(shè)置的橫向收集方法，可以采用圖12和13的鰭結(jié) 構(gòu)或者其它類似的電極結(jié)構(gòu)的任何一個。在圖12和13的實施例中，可以具 有納米級或者微米級陣列間隔，其設(shè)置是這樣的，第一電極134的所有部件 和第二電極136的所有部件設(shè)置在絕緣體(未示出)上，并且彼此電隔離， 其中一個電極用作收集光生空穴(無論是直接產(chǎn)生的、激子分解產(chǎn)生的或者二者)的陽極，而另一個電極用作收集光生電子(無論是直接產(chǎn)生妁、激子 分解產(chǎn)生的或者二者)的陰極。光生實體產(chǎn)生在活性材料中，該活性材料可
以是有機的、無機的或者結(jié)合的材料體系，設(shè)置在電極134和136之間。活 性層可以包含半導(dǎo)體、染料、量子點、金屬納米粒子或者其結(jié)合?；钚詫硬?料可以是光吸收體或者吸收體與產(chǎn)生電荷收集體(分離器)材料的混合?；?性層材料體系可以由前述的各種生長和沉積方法生產(chǎn)，包括化學(xué)和電化學(xué)方 法、化學(xué)氣相沉積或者包括霧化的物理氣相沉積?；钚詫硬牧象w系也可以包 含電解質(zhì)。第一電極134的單元可以布置成如圖12所示的層次，其中較小 尺寸的單元連接到較大單元，以減小串聯(lián)電阻。第二電極136的情況也一樣。 在截面圖中，圖12的示例結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)為如圖13所示?；钚詫?16可以厚于 或者可以不厚于第一電極134和第二電極136結(jié)構(gòu)的高度A。尺寸A優(yōu)選等 于活性材料的吸收長度。另外，第一電極134和第二電極136結(jié)構(gòu)二者的寬 度W應(yīng)當盡可能小，優(yōu)選在納米級范圍，但是要兼顧串聯(lián)電阻損耗和制造 應(yīng)考慮的因素。如圖12和13所示的電極134和136的布置不需要活性層116 上的底電極或頂電極。另外，光101可以通過頂側(cè)或者底側(cè)進入。反射體可 以設(shè)置在一側(cè)。相鄰單元之間的陣列間隔C是一個活性材料收集長度或者更 小的量級(order)。電極單元自身除了收集光生實體外，還可以(1 )是吸收 體，(2)提高光反射和捕獲，(3)用于粘附量子點/納米粒子、單層或者其它 材料而增強性能，以及(4)是與吸收過程交互作用的等離子體振子源。該 實施例可以用在光產(chǎn)生應(yīng)用中。在光產(chǎn)生應(yīng)用中，活性層116不吸收光，而 是產(chǎn)生光。相應(yīng)地，在此情形中的電極134和136不是收集載流子，而是注 入載流子。如前所述，這些發(fā)光結(jié)構(gòu)基本上以與光伏器件相反的方式運行， 并且根據(jù)需要進行材料選擇。
諸如圖12和13所示的橫向收集光伏結(jié)構(gòu)的陽極和陰極可以由跨越活性 材料并產(chǎn)生在其間定向的內(nèi)建電場(或者，相當?shù)?，?nèi)建電勢)的材料制作。 電場方向基本上垂直于吸收長度方向。產(chǎn)生電場需要陽極和陰極成對，如高 功函數(shù)金屬和低功函數(shù)金屬、p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體、高功函數(shù)金屬和n 型半導(dǎo)體或者低功函數(shù)金屬和p型半導(dǎo)體。電極134和136可以采用自組裝 處理(例如，用等離子體)或者涂覆有膜或者有單層以調(diào)整功函數(shù)。另外， 電極材料也可以具有能帶階(偏移)，用于阻擋空穴(在陰極處)或者阻擋 電子(在陽極處)以助于載流子收集。諸如圖12和13所示的橫向陽極和陰極電極布置可以采用公知的光刻技 術(shù)(如光刻以及電子束和離子束光刻)與完善建立的蝕刻和/或剝離技術(shù)相結(jié) 合制作。它們也可以采用這樣的技術(shù)制作，如嵌段共聚物圖案化、壓印以及 分步和閃光光刻與完善建立的蝕刻或者剝離技術(shù)相結(jié)合。此外，它們可以通 過其它技術(shù)制作，如蘸筆加工、噴墨印刷、靜電印刷和沖壓，這些不要求蝕 刻以及剝離。諸如圖12和13所示的橫向陽極和陰極電極布置也可以通過在 材料中圖案化的激光寫入來制作，該材料在光子撞擊時反應(yīng)而形成圖案化的 電極布局。這可以從第一電極134到第二電極136順序進行。為了獲得所需 的不同材料體系以產(chǎn)生所希望的內(nèi)建電場和帶階，可以采用前述方法首先定 位第一電極134，然后定位第二電極136。作為選擇，兩套電極單元可以由 相同的材料制作，然后一個電極用不同的材料電鍍以產(chǎn)生電場和帶階。因為 每套電極單元具有獨立的與外界的連接，所以這很容易做到。通常，可以生 長或者沉積被圖案化和用于制作第一電極134和第二電極136的材料。
諸如圖12和13所示的橫向陽極電極和陰極電極布置也可以采用諸如電 化學(xué)沉積的無電鍍和/或電極驅(qū)動鍍覆整體制作。例如，可以這樣進行鍍覆， 對于第一電極134的電化學(xué)生長采用第一溶液而定位第一導(dǎo)電圖案，并且對 于第二電極136的電化學(xué)生長采用第二溶液而定位第二導(dǎo)電圖案。如上所述， 兩個電化學(xué)沉積溶液用于為陽極和陰極獲得兩個不同的材料。在要求獲得需 要橫向設(shè)置陽極和陰極的電化學(xué)沉積的設(shè)計中，圖案應(yīng)當定位在絕緣基板 上。例如，在圖12和13所示結(jié)構(gòu)的情況下， 一個圖案會是在基板上以形成 第一電極134，而另一個電隔離焊盤會在基板上以形成第二電極136。這樣 的電極前驅(qū)體圖案化可以以光學(xué)、束流和壓印光刻與蝕刻和/或剝離相結(jié)合進 行。電極前驅(qū)體圖案化也可以通過諸如直接圖案化的技術(shù)完成，其中通過各 種技術(shù)將圖案材料涂覆在指定圖案中，包括沖壓、蘸筆、印刷、靜電印刷或 者噴墨印刷。這些圖案(例如，圖12和13的示例中的圖案)然后可以依次 電偏置以電化學(xué)沉積一個材料的電極和另一個材料的 第二電極。就是說，為 了獲得第一電極134的電化學(xué)沉積，可以采用第一圖案與涂覆到基板上的第 一溶液的順序偏置，而為了獲得第二電極136的電化學(xué)沉積，可以釆用第二 圖案與涂覆到基板上的第二溶液的順序偏置。
電化學(xué)沉積也可以以替換的方式使用以獲得諸如圖12和13所示的橫向 陽極和陰極電極布置。在光伏器件的陰極和陽極所需的布置中采用前面討論的技術(shù)圖案化的包括凹陷的第 一材料電極和第二材料電極的模板施加到存 在電化學(xué)沉積溶液的基板。該基板是導(dǎo)電的。通過在模板中的第一材料電極
圖案和基板之間施加電偏壓，由此形成第一電極134的材料受模板的引導(dǎo)沉 積在基板上。接著，通過在模板中的第二材料電極圖案和基板之間施加電偏 壓，由此形成第二電極136的材料受模板的引導(dǎo)沉積在基板上。然后，該模 板可以移步(stepped)和再用。根據(jù)需要，將基板上起始導(dǎo)電膜蝕刻掉或者 轉(zhuǎn)換為絕緣體，以防止短路。這里的概念是使用模板(分別為第一和第二材 料)中不同的電極材料和通過由模板中兩種電極的橫向布置能夠沉積橫向收 集布局的陽極和陰極所需的兩種不同材料。該技術(shù)也去除或者轉(zhuǎn)換了覆蓋該 表面的起始薄膜。
如圖12和13所示的橫向陽極電極和陰極電極布置也可以采用催化劑控 制生長來制作。例如，通過定位用于第一電極134生長的催化劑A和定位用 于第二電極136生長的催化劑B來進行催化劑控制生長。這些催化劑可以具 有獲得必要的橫向設(shè)置陽極和陰極所需的圖案。例如，在圖12和13的結(jié)構(gòu) 的情況下，催化劑A會以第一電極134的形式在基板上圖案化，并且催化劑 B會以第二電極136的形式在基板上圖案化。這樣的催化劑圖案可以如上所 述完成。所包括的技術(shù)可以是光學(xué)、束流和壓印光刻與蝕刻和/或剝離相結(jié)合， 并且應(yīng)用于生長或者沉積的催化劑材料?？梢酝ㄟ^在光子撞擊時反應(yīng)的材料 中的圖案的激光寫入來完成以獲得催化劑(或者直接形成圖案化的電極布 局)?？梢皂樞蛲瓿色@得圖案化的催化劑A和催化劑B。在給基板施加催化 劑后，第一和第二電極134和136采用它們各自的催化劑生長。也可以采用 電化學(xué)和化學(xué)工藝(例如，VLS)。
催化劑A和催化劑B的施加和圖案化也可以利用定位技術(shù)來完成，如 催化劑"墨水，，的沖壓、蘸筆、靜電印刷或者噴墨印刷。這樣的墨水可以包 含粒子、自組裝分子、層、或材料、或包含催化劑的層或者材料。通過沖壓、 蔬筆或者噴墨印刷獲得的圖案化的催化劑A和催化劑B可以通過適當考慮 對準的順序步驟完成。在沖壓的情況下，可選擇的是同時沖壓催化劑A和催 化劑B到基板上。后者的沖壓方法可以實現(xiàn)圖12和13的結(jié)構(gòu)，通過(l) 以圖12和13的圖案將沖模施加到含墨槽而同時獲得墨水，或者通過(2) 采用蘸筆、噴墨或者類似的技術(shù)連續(xù)給沖模施加墨水。在給基板涂覆催化劑 后，第一電極134和第二電極136使用它們各自的催化劑生長。使用化學(xué)工藝(例如，VLS)。然后，所產(chǎn)生的第一電極和第二電極單元的截面可以接近圖13的矩形。例如，如果生長的第一和第二電極134和136是高縱橫比納米粒子的緊密堆積陣列，該納米粒子例如為從圖案化的催化劑A和B催化生長的Si納米線單元(在生長期間可以摻雜)和碳納米管單元，則第一電極和第二電極單元的截面可以非常接近于這樣的大體上的矩形形狀。
對于所有制造橫向收集電極結(jié)構(gòu)的各種方法，如前所述，可以以很多方式獲得包含活性材料設(shè)置的有機或者無機吸收體。包括各種物理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)。具體地講，包括霧化、噴涂和旋涂技術(shù)。諸如ZnO、 GaN、 CdSe、PbS和有關(guān)半導(dǎo)體的材料可以采用已知的膠體化學(xué)的技術(shù)制造，由此在第一電極134和第二電極136之間原位生長材料。按此，可以真空沉積和使用諸如a-Si:H和多晶硅的無機半導(dǎo)體材料。在諸如a-Si、 a-Ge等非晶材料的情況下，包括不同金屬的SPC包括固相晶化(MISPC)，可以用于將這樣沉積的非晶半導(dǎo)體原位轉(zhuǎn)換為晶體材料。在任何層之間或者電極單元上可以設(shè)置支
持材料(Support materials )，如空穴導(dǎo)電層、電子導(dǎo)電層、電子表面改性或者對表面改性引發(fā)或者提供附著點的層。
如圖12和13所示的橫向收集結(jié)構(gòu)的陽極和陰極也可以自身用作催化劑，用于在諸如化學(xué)生長或者金屬誘導(dǎo)固相晶化的技術(shù)中活性層的形成工藝。陽極、陰極或者二者可以起催化劑的作用。例如，如果硅是活性層116，則可以以電極之一作為VLS的催化劑，采用VLS化學(xué)生長將其生長在陽極和陰極之間的區(qū)域中。根據(jù)電極材料以及由此采用的催化劑，在30(TC和600。C之間的溫度可以以這樣的方式生長晶體Si。例如，在硅的SPC的情況下，使用Ni作為電極之一且作為增強SPC工藝的金屬，以各種時間-溫度退火工序完成MISPC,沉積的非晶硅可以晶化為活性層。
在復(fù)合電極載流子收集方法的橫向收集中，至少一個電極(陽極或陰極)是復(fù)合結(jié)構(gòu)，并且第一電極140 (陽極或陰極)和第二電極142 (陰極或陽極)如圖14-17所示布置，活性層材料如圖所示定位。圖14-17的結(jié)構(gòu)是頂電極在底電極上的構(gòu)造，與圖12和13的示例中給出的橫向電極構(gòu)造相反。在圖14和15所示的形式中，第一電極140是復(fù)合結(jié)構(gòu)，并且第一電極140的每個單元的頂部是導(dǎo)電第一電極材料?？梢妼?dǎo)電第一電極材料在每個部分中由絕緣體138與設(shè)置在基板上的第二電極142電隔離。第一電極和第二電極材料考慮產(chǎn)生用于對光生電荷載流子收集的內(nèi)建電場的可選材料進行選擇。產(chǎn)生這樣的電場要求陽極和陰極對可以是高功函數(shù)金屬和低功函數(shù)金
屬、p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體、高功函數(shù)金屬和n型半導(dǎo)體或者低功函數(shù)金 屬和p型半導(dǎo)體。第一電極140和第二電極142可以處理(例如，用等離子 體)或者涂有膜或者釆用自組裝形成的單層而調(diào)整功函數(shù)。第一和第二電極 材料也可以選擇為通過利用帶邊偏移(臺階)(band edge off-sets (steps))提 高電場收集，這在激子分解中會特別有用。該結(jié)構(gòu)中的收集具有橫向和垂直 (例如，平行于吸收長度)兩種方式。圖14和15的方法中所需的絕緣體138 可以通過包括沉積、電化學(xué)反應(yīng)和包括氧化和氮化的生長的技術(shù)制造。
在圖16和17所示的實施例中，每個單元都是復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)包 含由絕緣體138分開的第一電極和第二電極部分。于是，兩個電極140和142 單獨接觸(未示出)以連接到外部電路。選擇第一電極和第二電極材料通常 考慮產(chǎn)生用于光生實體收集的內(nèi)建電場的可選材料。第一和第二電極材料也 可選擇為通過利用帶邊偏移(臺階)來增強收集。該結(jié)構(gòu)的最終結(jié)果是可橫 向和垂直收集光生載流子。圖16和17的方法所需的絕纟彖體138可以通過諸 如沉積、電化學(xué)反應(yīng)或者包括氧化或氮化的生長而制造。
圖14-17所示方法提供了替換方案，其沒有圖12和13所需的順序產(chǎn)生 橫向第一電極134和第二電極136的結(jié)構(gòu)。圖14-17的部件采用前面討論的 各種可能的方法圖案化和制作，包括圖12和13的實施例所用的方法。圖 14-17的復(fù)合電極中尺寸A優(yōu)選等于活性材料吸收長度。另外，圖14-17中 的單元寬度W應(yīng)當盡可能小，如果單元材料不用作吸收體，則優(yōu)選為納米 級的范圍，但要兼顧串聯(lián)電阻損耗和制造上的考慮。
圖18示出了光伏器件的截面圖，其中所示電極單元位于活性材料中。 光伏器件160包括第一導(dǎo)體或電極150，該第一導(dǎo)體或電極150可以是非圖 案化(非結(jié)構(gòu)化)的電極，并與第二電極152相對，第二電極152包括收集 體元件的陣列。第二電極152可以包括結(jié)構(gòu)化的收集體單元(例如，柱、納 米管、納米線、鰭、蜂窩或甚至分子線)，用于改善光生實體(激子和/或電 子或空穴)收集。相鄰于第二電極152定位的是活性層154,并且相鄰于第 一電極150定位的是收集材料或者空穴轉(zhuǎn)移層(HTL) 156,在該實施例中 用于提高空穴收集。在第一電極150和第二電極152之間，可以是絕緣體或 者隔板材料158。該結(jié)構(gòu)可以由一些工藝的結(jié)合形成，包括蝕刻、生長沉積、 剝離或者壓印(鑲嵌)。在該實施例中，絕緣體或隔板材料158呈現(xiàn)為覆蓋第二電極152的收集體單元，以防止第二電極152與第一電極150接觸所致的器件短路。第二電極152的陣列間隔和單元可以是微米和/或納米級。這樣絕緣覆蓋材料的應(yīng)用在將第二電極152按壓或者壓印(鑲嵌)到活性層116中時特別有用。
在釆用壓印技術(shù)(impressing technique)制造光伏器件期間，第一電極150可以具有HTL 156，然后是直接設(shè)置在第一電極150上的活性層154。然后，第二電極152壓入活性材料154。這樣做時，通過至少一個第二電極152的收集單元壓過活性層154到該示例中的空穴收集體材料(例如，HTL)156甚至到第一電極150,能夠短路光伏器件。如果第二電極152穿過活性層154且緊密靠近收集體材料156或第一電極150,則可能導(dǎo)致光伏器件的短路。
為了防止在由印才莫技術(shù)制作的光伏器件中形成這樣的短路情形，絕緣體或者隔板材料158設(shè)置為覆蓋在第二電極152的收集體單元上，以防止第二電極152與收集體材料156、第一電極150或者二者接觸。
第一電極150和第二電極152可以由導(dǎo)電或者半導(dǎo)體材料組成?？捎糜诘谝浑姌O150和第二電極152的常規(guī)材料是但不限于銦錫氧化物、鋁、金、碳納米管和氟化鋰。
活性層154由吸收體和電荷載流子(例如，分離材料)或者其任何結(jié)合組成。活性層154可以包括半導(dǎo)體、染料、量子點、金屬納米粒子、導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電小分子或者其組合。收集體材料156可以是HTL(典型地，聚(3,4-乙撐二氧基p塞吩(3,4-ethylenedioxythiophene )):聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS)，但可以包括摻雜的聚(苯胺)、不摻雜的聚(苯胺))或者可以完全沒有。
在該覆蓋方法的使用中，絕緣體158可以由任何不導(dǎo)電材料組成，這可防止第二電極152與HTL 156或第一電極150之間的短路。可采用的典型材料包括但不限于Si02、聚(苯乙烯)或者聚(甲基丙烯酸甲酯)。絕緣層或者絕緣體158的厚度應(yīng)當厚于收集體材料156的厚度，從而第二電極152的導(dǎo)電部分與收集體材料156和第一電極150之間沒有進行電接觸。如果不存在收集體材料156，則絕緣體158的厚度必須是絕緣體完整性(integrity)和防止第一電極150和第二電極152之間的任何電接觸所需的厚度。
可以通過標準的光刻技術(shù)制作第二電極/絕緣體覆蓋結(jié)構(gòu)。第二電極/絕緣體結(jié)構(gòu)可以通過很多其它技術(shù)制作，包括通過蒸發(fā)工藝到電子束或者嵌段共聚物掩模。第二電極/絕緣體結(jié)構(gòu)也可以通過電化學(xué)工藝制造。第二電極/絕緣體結(jié)構(gòu)也可以通過硬掩模的干法蝕刻制作。絕緣體結(jié)構(gòu)可以用作蝕刻第
二電極結(jié)構(gòu)的硬掩模，然后適當留下以用作絕緣體覆蓋結(jié)構(gòu)。如果絕緣層158存在，則其厚度可以理想地比收集體(例如，HTL)材料156的厚度厚約10至20nm。如果收集體材料156不存在，則根據(jù)絕緣體完整性的要求，絕緣體的厚度可以在約5至20nm的范圍。
應(yīng)當理解的是，各種橫向收集結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不限于說明書中闡述或圖中所示的具體細節(jié)和方法。還應(yīng)當理解的是，這里所采用的措辭和術(shù)語僅為了描述的目的，而不應(yīng)當視為限定。
盡管如圖所示和所描述的示范性實施例目前是優(yōu)選的，但是應(yīng)當理解的是，這些實施例僅通過示例給出。因此，本申請不限于特定的實施例，而是延伸到落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的各種修改。任何工藝或者方法步驟的順序或者次序可以根據(jù)替換實施例變化或者再排序。
重要的是注意各種示范性實施例中示出的結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與布置僅為示例。盡管在本公開中僅詳細地描述了幾個實施例，但是閱讀本公開的本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的是，能夠進行很多的修改(例如，各種單元的尺寸、規(guī)格、結(jié)構(gòu)、形狀和屬性上的變化，參數(shù)值、安裝布置、材料使用、顏色、方位等的變化)而沒有實質(zhì)上脫離權(quán)利要求中所述主題的新穎性教導(dǎo)和優(yōu)點。例如，示出為一體形成的單元可以由多個部分或者單元構(gòu)造，單元的設(shè)置可以顛倒或者其它的變化，分離單元的性質(zhì)或數(shù)量以及位置可以改變或者變化。因此，所有這樣的修改旨在包括在本申請的范圍內(nèi)。任何工藝或者方法步驟的順序或者次序可以根據(jù)替換實施例變化或者再排序。在權(quán)利要求中，任何裝置加功能的條款旨在覆蓋這里描述的執(zhí)行引述功能的結(jié)構(gòu)，并且不僅是結(jié)構(gòu)上等同而且包括等同的結(jié)構(gòu)。在示范性實施例的設(shè)計、操作條件和布置上可以進行其它的替代、修改、變化和省略，而不脫離本申請的范圍。
權(quán)利要求
1、一種光伏器件，包括第一導(dǎo)電層；收集結(jié)構(gòu)，與該第一導(dǎo)電層物理接觸且電接觸；活性層，設(shè)置為與該第一導(dǎo)電層相鄰且與該收集結(jié)構(gòu)的所有表面接觸，該活性層具有吸收長度和收集長度；第二導(dǎo)電層，設(shè)置為與該第一導(dǎo)電層相對且與該活性層接觸；以及該收集結(jié)構(gòu)包括定位為基本上垂直于該導(dǎo)電層的多個收集體單元，該多個收集體單元從該第一導(dǎo)電層延伸對應(yīng)于該活性層的該吸收長度的距離，該多個收集體單元分隔開對應(yīng)于該活性層的該收集長度的兩倍的距離。
2、 如權(quán)利要求1所述的器件，其中該多個收集體單元生長、被壓印或 者沉積在該第一導(dǎo)電層上。
3、 如權(quán)利要求l所述的器件，其中該多個收集體單元包括金屬。
4、 如權(quán)利要求l所述的器件，其中該多個收集體單元包括半導(dǎo)體。
5、 如權(quán)利要求l所述的器件，其中該活性層包括有機材料、無機材料、 金屬粒子或者量子點中的至少一種。
6、 如權(quán)利要求5所述的器件，其中該活性層包括量子點，并且該量子 點位于該活性層和該收集結(jié)構(gòu)的界面處。
7、 如權(quán)利要求5所述的器件，其中該活性層包括量子點，并且該量子 點包含在該活性層內(nèi)。
8、 如權(quán)利要求1所述的器件，其中該多個收集體單元或者該活性層中 的至少一者采用氣-液-固法來生長。
9、 如權(quán)利要求1所述的器件，其中該多個收集體單元或者該活性層中 的至少一者采用表面引發(fā)反應(yīng)或聚合來生長。
10、 如權(quán)利要求l所述的器件，其中該多個收集體單元或者該活性層中 的至少 一者采用金屬和官能團之間的交互作用來組裝。
11、 如權(quán)利要求l所述的器件，其中該活性層可以是多種材料的非均勻 混合物或?qū)盈B結(jié)構(gòu)。
12、 如權(quán)利要求1所述的器件，其中該收集體單元的間隔在約lnm和小 于1000imi之間。
13、 如權(quán)利要求1所述的器件，其中該收集體單元具有約lnm和約lGOnm 之間的平行于該第一導(dǎo)電層的寬度。
14、 如權(quán)利要求l所述的器件，還包括設(shè)置在該多個收集體單元和該第 二導(dǎo)電層之間的至少一個絕緣蓋板。
15、 如權(quán)利要求l所述的器件，其中該多個收集體單元是柱單元、蜂窩 單元或者鰭單元之一。
16、 如權(quán)利要求l所述的器件，其中該收集結(jié)構(gòu)是該第一導(dǎo)電層。
全文摘要
基于微米和納米收集單元的橫向收集光伏(LCP)結(jié)構(gòu)用于收集光生載流子。在一套實施例中，收集單元排列在導(dǎo)電基板上。在某些形式中，收集單元基本上垂直于導(dǎo)體。在另一套實施例中，微米或者納米級收集單元與導(dǎo)電基板沒有直接的物理接觸和電接觸。在一種形式中，陽極電極和陰極電極二者都橫向排列。在另一種形式中，一個電極的收集單元是復(fù)合物，其中導(dǎo)體由作為每個收集體單元一部分的絕緣體與設(shè)置在基板上的相對電極分隔。在又一種形式中，一個電極結(jié)構(gòu)的收集是包含陽極和用于收集的收集陰極收集單元的復(fù)合物。活性材料定位在收集體單元之間。
文檔編號H01L31/00GK101689567SQ200880007910
公開日2010年3月31日 申請日期2008年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月10日
發(fā)明者戴維·斯通, 斯蒂芬·J·福納什, 李捍東 申請人:索拉里蒂股份有限公司