横向收集光伏的制作方法

专利名称：横向收集光伏的制作方法
技术领域：
本申请总体上涉及电子和光电子器件以及用由纳米结构的高比表面积 (surface to volume ratio )多孔薄膜构成的穿插网络制造电子和光电子器件的 制造方法，在纳米结构的互联的空隙体积内设有有机/无机金属、半导体或者 绝缘体材料。特别是，本申请涉及横向收集光伏(LCP)结构。
背景技术：
现今，提出和使用纳米粒子来提供高比表面积的材料。纳米粒子除了提 供大的表面积外，还可以嵌入有机/无机半导体/绝缘体材料(纳米复合体系) 中，以获得高的界面面积，例如，这可以用于下面的光电子和电子应用(a) 电荷分离功能，比如可用于光伏(photovoltaics )和检测器；(b )电荷注入 功能，比如可用于发光器件；(c)电荷存储功能，用于电容器；以及(d) 欧姆接触类功能，比如可用于接触分子电子结构。
然而，利用纳米粒子存在困难。这些困难包括它们的梯:作处理，另外， 对于电子和光电子应用，还包括如何实现电接触的问题。在由纳米粒子复合 体系制作光电子器件的一个方法中，分离的纳米粒子分散到有机材料的基体 中。为了实现电和光电子功能，每个纳米粒子或者納米粒子表面必须电连接 到外部(通过成套的电极)。这在布置纳米粒子使得它们互连到提供连续的 电通道至这些粒子的电极时而被实现。然而，对于分离的纳米粒子的应用，即使使得纳米粒子的体积分数接近统一，这些粒子也通常不能进行良好的电 接触。
传统的光伏4喿作使用如图1所示的基本水平结构的一些形式。这里，光
入射在水平层上，并且所产生的光生电子和空穴、由光生激子(exciton)产 生的电子和空穴或者二者分別被电荷分离，在正(+ )电荷收集电极(阳极) 处收集正电荷，在负(-)电荷收集电极(阴极)处收集负电荷。在图1所 示的结构中，该器件由p型和n型固体半导体材料组成，其半导体材料用作 光吸收体，并且用作产生用于电荷分离的驱动机制的所谓的内建电场的结形 成体。另一个水平结构可以利用电子和空穴的亲合力差(带阶或者带偏移) 来驱动电荷分离，该结构具有或者没有内建电场机制。对于图1的光伏作用， 电荷分离必然导致在一个电极一阴极收集电子(图1中的底部)而在另一个 电极一阳极收集空穴(图1中的顶部)，产生可以做外功的电流(例如，图1 中点亮灯泡)。
水平光伏结构可以就两个长度而言来描述吸收长度，是光在被有效吸 收之前穿入活性(吸收体)层(单层或多层)的距离，例如，该活性层为图 1所示的p型和n型层；以及收集长度，描述活性层(active layer)中光生 电荷载流子能被分离或并收集到用于外部使用的电极的距离。在光生激子的 情况下，要考虑的收集长度通常是激子扩散长度。激子扩散长度描述激子通 过扩散移动的距离。诸如图1所示的水平结构中的收集和吸收长度实质上彼 此平行。在这些水平结构中，电极通常为固体，尽管一个或者二者也可以是 电解质或者电介质与固体的一些结合。电极也可以是多孔固体结构或者非多 孔和多孔材料的某些结合。
在图1的水平结构中吸收长度和收集长度实质上平行的事实意味着它们 不是孤立的。在诸如图l所示的水平结构中，为了有效的光伏操作，适当的 收集长度或者顶活性层的长度必须足够长以至少允许在顶活性层中通过吸 收产生的载流子被收集，并且适当的收集长度或底活性层的长度应当足够长 以至少允许在底活性层中通过吸收产生的载流子被收集，而且为了有效纟喿作 应当至少与该材料的吸收长度一样长。
图1的水平结构的一个替换方案是横向收集方法，其利用^f吏用硅(Si) 晶片材料的单晶硅结构。基于这样的概念，已经开发了 Silver⑥太阳能电池。 然而，这样的横向收集方法利用单晶硅晶片。Silver 方法的目标是利用传统的硅晶片型材料，而通过使用横向收集来减少太阳能电池所需的形成Si
的昂贵成本。在这样的工艺中，例如，单晶硅切割成50 jim厚、100mm长 和lmm深的条。围绕硅而将这些条保持在一起。Silver 太阳能电池利用传 统的硅技术，但是为"镀银的(silvered)"构造。
这里公开的系统和/或方法的优点旨在教导由相对低成本的材料优选制 作改进光伏结构的构造。其它的特征和优点由本说明书变得明显易懂。所公 开的教导延伸到落入权利要求范围的各实施例，而与它们是否实现一个或多 个前述需要无关。

发明内容
本申请与诸如"镀银(slivering)"方法的其它技术相反，采用设置高比 表面积的材料来解决本领域的 一些问题。所设置的高比表面积材料允许容易 电接触的易处理的高界面面积。
本申请涉及给导体或者导电基板上或基板上的图案化成套电极上设置 纳米结构或微米结构的高比表面积材料。这样的纳米结构(或者微米结构) 的基本单元(基础部分)埋在空隙基体中，该空隙基体具有高比表面积的属 性但具有与导体的电连接属性。 一旦膜材料的空隙网络填充有活性材料，复 合物形成有高界面面积。此外，复合物结构的每个部分保形地(conformally) 连接。因此，复合物系统包括界面的任何区域都具有到外部的连续电连接。
本申请的一个实施例针对于由纳米结构(或者微米结构)的高比表面积 材料和有机/无机基体的穿插网络，该方法包括步骤a)在电极基板(或者 图案化的电极基板)上获得高比表面积膜材料，从而该膜材料的任何区域与 电极基板依靠形态而电连接。例如，膜材料可以包括电连接到电极基板并且 由空隙基体分离的纳米和/或微米凸起的阵列；b)用有机/无机固体或者液体 材料填充高比表面积膜的空隙基体；以及c)将电极或成套的电极定义到空 隙基体中嵌入的有机或无机空隙内材料。
本申请的另一个实施例利用横向收集光伏(LCP)结构的纳米和/或微米 凸起收集单元的阵列和间隔。收集单元可以是金属、半导体或者二者，并且
在一些实施例中，涉及绝缘体。在一套实施例中，收集单元(构成阳极或阴 极)排列在导电层或者基板上，在此情况下，它们与导体电接触且物理接触。 在这样的构造中，单元阵列和导体构成电极。收集单元自身也可以用作导体，并且因此在另一个实施例中可以是完整的电极。这些收集单元基本上垂直于 导体。在所有描述的实施例中，吸收体，或者更一般地讲活性材料，设置在 收集体单元之间。正如这里所采用的，活性材料可以包括这样的材料，该材 料为一种或多种吸收体材料，没有结合收集体材料或结合一种或多种收集体
(分离器(separator))材料或者改善活性材料和电极或导体间界面接触的材 料。所有的收集体单元和吸收体或者活性材料以某种方式设置，包括蚀刻、 物理沉积、化学沉积、原位生长、冲压(stamping)或压印(imprinting )。 收集体单元材料可以是导体或者半导体，其也可用作吸收体。本申请还包括 几种不同形状的收集体结构及其单元。设置吸收体或者活性材料的收集体间 (inter-collector)单元可以是有机或无机的，并且可以是晶体(单晶或多晶) 或非晶的。吸收体或活性材料可以是固体或液体，或者其某种结合。在进一 步的实施例中，收集单元是从纳米粒子催化剂或者不连续的催化剂膜生长的 纳米单元。在这些实施例中，收集单元可以不必垂直于导体排列。
在横向收集概念的另一套实施例中，基板不导电，并且阳极和阴极单元 并排横向排列。在横向收集概念的又一套实施例中，至少阳极或阴极由纳米 和/或微米级收集单元的阵列构成并没有到任何导电基板的直接物理接触和 电接触。在一个实施例中， 一个电极是复合物，其中导体由作为每个收集体 单元一部分的绝缘体与相对电极分隔，并且该相对电极是覆盖表面的导体。 在另一个实施例中，收集结构是复合物，包含横向收集的阳极和阴极收集单 元。相对电极可以或者可以不与覆盖表面的导体接触。
进一步的实施例针对于光伏器件，该光伏器件具有第一导电层、与第一 导电层物理接触且电接触的收集结构、设置为与第一导电层相邻并且与收集 结构的所有表面接触的活性层以及设置为与第一导电层相对且与活性层4妾 触的第二导电层。活性层具有吸收长度和收集长度。收集结构包括多个收集 体单元，设置为基本上垂直于导电层。多个收集体单元从第一导电层延伸对 应于活性层的吸收长度的距离，并且多个收集体单元分隔开对应于活性层的 收集长度的两倍的距离。
这里描述的各实施例的某些优点体现在发电上的应用，如光伏电池的应 用。所公开的实施例也可以应用于光检测器、化学传感器、电致发光器件和 发光二极管结构。在电致发光器件和发光二极管结构的情况下，载流子流动 方向与光伏器件相反，并且载流子被注入而不是被收集。所公开的实施例具有大电极面积和各种电极构造，应用于化学电池、燃料电池和电容器。 征的结合。


图1图解了现有技术的结合传统光伏电池的器件。
图2图解了横向收集的光伏结构。 图3图解了具有柱状单元的收集结构。 图4图解了具有蜂窝状单元的收集结构。 图5图解了具有鳍状单元的收集结构。 图6图解了采用非晶硅的实施例。
图7图解了使用设置在收集体单元之间的催化剂层的吸收活性层的生长。
图8图解了基板上的图案化的催化剂。 图9图解了通过VLS法生长的柱/棒。
图10图解了嵌入光伏结构的活性层中由催化纳米粒子生长的纳米单元。 图11图解了嵌入光伏结构的活性层中由不连续催化剂膜生长的纳米单元。
图12图解了横向收集光伏器件的电极结构。 图13图解了图12的横向收集光伏器件的截面图。 图14图解了一个电极设置在基板上的第二电极上的复合电极结构。 图15图解了具有图14的复合电极结构的光伏器件的截面图。 图16图解了每个部件都包括两个电极的复合电极结构。 图17图解了具有图16的复合电极结构的光伏器件的截面图。 图18图解了具有分隔电极的绝缘体的光伏器件的截面图。 在任何可能的情况下，各图中采用相同的附图标记指代相同或者相似的 部分。
具体实施例方式
图2示出了横向收集光伏的结构。除了图2中涉及的收集长度实质上垂 直于吸收长度外，图2的横向收集结构具有很多图1的水平构造的特征。因此，收集长度和吸收长度已经变为彼此独立。图2的横向收集结构可以具有 在实质上全部活性材料的收集长度内的收集界面。在美国专利No. 6,399,177、美国专利No. 6,919,119和美国专利申请^>开No. 2006/0057354 中，详细地描述了图2的横向收集结构，因此，将这些专利和申请的全部内 容引用参考于此。
图2的横向收集光伏结构由膜材料和形成大界面面积的金属、半导体或 者绝缘体材料的穿插网络制作。高比表面积膜材料可以包括收集体结构110, 即导电层112上由多个空隙或者空隙基体分隔的一个或者多个收集体单元的 阵列，例如，纳米和/或微米凸起的阵列，该导电层112在非导电基板114 上。在另一个实施例中，基板可以是导电材料，并且可以用作导电层。收集 体结构110和导电层112的结合可以用作光伏结构的电极。
纳米和/或微米凸起可以具有各种其它形态，只要每个纳米和/或微米级 基本单元都具有到导电层或者导体112的连续的电荷传导通道，或者它们自 身起导体的作用。正如这里所使用的，纳米级是指约Iran和约100nm之间 的尺寸，而微米级是指约100nm和小于1000pm之间的尺寸。空隙体积可以 填充有合适的活性层116，如有机/无机半导体材料。第二导体(或者与第二 套导体接触的成套的纳米和/或微米凸起单元)118设置在活性层116上，形 成器件对向电极。接触105与导体112和118电连接，以提供到外界的连接。
在另一个实施例中，高比表面积膜材料的基本单元可以包括纳米结构， 例如，纳米管、纳米棒、纳米线、纳米柱或者其集合体、定向分子、原子链、 分子链、富勒烯、纳米粒子、纳米粒子的集合体及其任何结合或者^:米结构。 高比表面积膜的基本材料可以包括硅、二氧化硅、锗、氧化锗、铟、锡、镓、 镉、硒、碲及其合金和化合物、碳、氢、氧、半导体、绝缘体、金属、陶瓷、 聚合物、其它无机材料、有机材料或者其任何结合。例如，通过化学气相沉 积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积或者电沉积而将电极单元结 构高比表面积膜沉积在导电层112上或者在图案化的基板上(如果基板为导 电的)。也可以通过蚀刻或者电化学蚀刻获得膜。
活性层材料可以包括有机和无机半导体、半导体粒子、金属粒子、有机 金属、自组装(self assembling )分子层、共轭聚合物及其任何结合。活性层 材料或者其前驱体可以以液体形式、熔化形式、溶解在溶剂中，或者通过电 化学方法来涂覆。另外，活性层材料可以通过将薄膜材料暴露到活性层材料或者其前驱体的蒸气而嵌入空隙基体中，因此使蒸气在空隙基体内凝结。这 样的蒸气可以通过包括雾化的化学气相沉积和物理气相沉积技术产生。
如上所述，光101入射在该结构上，并且所产生的光生电子和空穴、由
光生激子产生的电子和空穴或者二者分别电荷分离，以在正(+)电荷收集 体(阳极)收集正电荷以及在负(-)电荷收集体(阴极)收集负电荷。为 了光伏作用，电荷分离必须导致电子运动到一个电极一阴极，而空穴运动到
另一个电极一阳极，从而产生电流。如上所述，收集结构110和导电层112 可以用作阳极或者阴极。
如果通过光致激发产生(即为光生的)激子，则收集结构110的收集体 单元也能够将没有在活性层116中转化成电子和空穴的任何激子收集(通过 在活性层116中的扩散)到收集体单元表面，以便在这些表面上能使激子转 换成自由电子和空穴对。激子的收集建立了横向激子收集长度。如果活性层 116由多个部分形成，则横向激子收集长度是有效的激子收集长度。
如果电子和空穴直接由光致激发产生(即为光生的)，或者通过在活性 层中将光生激子分解而产生，则收集结构110的收集体单元应当能够将自由 电子或者空穴收集(通过在活性层116中漂移、带边变化(band edge variation),扩散及其任何结合)到收集体单元表面。电子或者空穴的收集建 立了横向自由载流子收集长度。如果活性层116由多个部分形成，则横向自 由载流子收集长度为有效的自由载流子收集长度。通常，自由载流子(电子 或者空穴)的选择确定了收集结构110的单元间阵列间隔C,其基于这样的 情况自由载流子具有越差的迁移率，相等地，收集长度越差。如果激子通 过收集单元表面分解，则收集结构110可以设计为使得激子收集长度不小于 收集结构110的约半个单元间阵列间隔C。没有通过收集结构110拾取的其 它自由载流子(电子或空穴)将具有基本上约到对向电极的最长距离的收集 长度，称为垂直收集长度。
如果激子是收集体单元表面上收集的主要实体，则收集结构110可以以 激子确定横向收集长度来设计，并且由此确定单元间或者收集体结构阵列间 隔C。如果自由载流子是在收集体单元表面上收集的主要实体，则收集结构 110可以设计为使得收集的载流子是具有较低迁移率的载流子。在此情况下， 自由载流子的收集长度是横向收集长度，并且该横向收集长度确定了收集体 结构间隔C。收集结构110的收集单元主要收集激子还是自由载流子，收集结构110提供实质上所有活性材料的适当收集长度内的收集界面。收集结构 110自身可以是或者可以不是吸收体。这样的灵活性是可能的，这是因为如 果选择为不是吸收体，则收集结构110 (以及其对应的收集体单元)对进入
光101应当呈现至少一个优选为纳米级的尺寸w，由此产生最小化的死(不
吸收光的)体积。才艮据收集结构110采用的材料，收集结构110除了收集光 生实体(激子和/或自由载流子)夕卜，可以是(1)吸收体，(2)用于增强光 反射和捕获，(3)用于束绰量子点、单层或者其它材料以提高性能，以及U) 与吸收过程交互作用的等离子体振子源(source for plasmons)。另外，活性 材料具有与导体材料一样的所有上述可能。
本申请的横向收集结构可以采用各种形状。图3-5示出了收集结构110 (以及对应收集体单元)的三个实施例。图3-5的收集结构实施例及其结合 和变化可以设置在导体112上。然而，在图4和5的实施例中，收集结构110 可以用作电极而没有导体，并且直接设置在基板114上。图3示出了与图2 类似的由柱状收集体单元阵列组成的收集结构。图4是由"蜂窝状"收集体 单元阵列组成的收集结构，而图5是由"鳍状"收集体单元阵列组成的收集 结构。尽管图3-5图解了收集结构110的几个示例，但是应当理解的是，可 以采用任何适合的横向收集结构。
当在光伏电池中采用收集结构110时，图3-5所示的特征阵列间隔尺寸 C可以选择为用于填充收集体单元间或者收集体单元之间区域的空隙或者区 域的活性材料的横向收集长度的大约两倍(适合于激子或自由载流子)。图 3-5中收集体单元间区域中设置的活性材料是这样的，它与这些实施例的收 集或者收集体结构110具有收集界面。图3-5中的尺寸A基于活性(或者吸 收体)材料的吸收长度和垂直收集长度，适当选择。应当注意的是，活性材 料包含吸收体材料或多种原料，以及可以是有机或无机半导体材料的组合、 光吸收分子，并且可以包含染料、诸如量子点的纳米粒子或者等离子体振子 生成金属粒子或其组合。基于图3-5的收集结构110的光伏结构中电极的导 体或者单元的任何一个或者二者可以是透明的、导电的材料，例如，包括锡 氧化物、锌氧化物或者铟锡氧化物。反射体结构可以设置在一个电极的导体 的后面或者使用一个电极的导体。收集体结构110也可以是整体电极(即没 有连接到收集体结构的导电层)，反射器/光捕获结构或者二者。
在根据图3-5的收集结构110的光伏结构中，活性材料具有两倍于横向收集长度的量级的至少一个尺寸c和吸收长度(或者如果适合，垂直收集长 度)的量级的另一个尺寸A。当涉及垂直收集长度时，尺寸A可以是吸收长 度和垂直收集长度的较小者。在根据图3-5的收集结构110的光伏结构中， 活性(吸收体)和收集体材料可以采用诸如蚀刻和/或沉积、原位生长、冲压 或压印的技术制作。可采用的沉积技术包括化学气相沉积、包括电化学生长 法的液体沉积和物理气相沉积法。
活性材料存在于收集体结构110的收集单元之间。活性材料可以采用很 多方法形成。下面提供几种合适的而不是全部的这样的方法。
活性材料可以是沉积的薄膜非晶硅(a-Si:H)。典型的薄膜非晶硅可以具 有约O.l,um至约l.um的收集长度和小于约lpm的吸收长度。图6示出了光 伏器件或者电池的实施例，其结合了图3-5 (截面图所示)的收集体结构110 的柱状、蜂窝状或者鳍状收集体单元110。对于a-Si:H材料，收集体结构的 收集体单元之间的阵列间隔范围为约0.2 pm至约2 (im,即进入或在微米量 级内。图6所示实施例的薄膜a-Si:H可以根据需要掺杂，并且釆用标准技术 沉积，如等离子体沉积或者低压化学气相沉积(LPCVD)。前者可以涉及低 至约200。C或者更低的温度。后者通常涉及约50(TC或者更低的温度。在图6 的实施例中，收集体结构110已经选择为金属，并且顶导体或者电极118是 透明导电氧化物，在顶电极118下有掺杂的a-Si:H层120和在掺杂的a-Si:H 层120下有掺杂或者未掺杂的a-Si:H层122。在另一个实施例中，a-Si:H可 以这样设置，在顶电极118下的层为n或p型材料，并且收集体结构110可 以是半导体材料。如果采用具有诸如鳍状或者蜂窝状收集体的收集体单元的 收集体结构110,则能够省略收集体结构110下的电极，即提供横向连续电 通道的结构也可以用作电极，并且连接到电引线105。此外，收集体结构110 可以利用标准的束缚和粘附方法，用于粘合界面层、诸如量子点的粒子或者 对每个吸收的光子给出多个电子/空穴对产生的粒子。收集体结构110也可以 用作反射/光捕获结构或者其一部分，以及用于影响吸收过程的等离子体振子 源。所有的实施例都一样，收集体结构110 (以及对应的收集体单元)的材 料成分选择为针对于收集体电阻、要求的功函数差(与对向电极)，从而来 帮助建立内建电场，或者来具有带阶(偏移)来帮助收集或其一些组合。
收集体结构IIO可以通过各种技术制造，包括(l)蚀刻、(2)沉积、(3) 原位生长、(4)冲压，或者通过(5)压印，包括在实际的收集体结构110中按压(镶嵌)。在沉积技术中，示范性的制作方法是将收集体图案转移到
采用光刻技术获得的图案化嵌段共聚物(block co-polymer)或者图案化抗蚀 剂，光刻技术可以包括束流、压印、冲压或者光学方法。例如，收集体材料 可以沉积在所产生的图案化的嵌^:共聚物或者抗蚀剂中作为薄膜，然后通过 剥离而图案化，制造诸如图3-5所示的结构。当采用嵌^:共聚物的材料时， 可以使嵌段共聚物在适当位置而去除一相(phase)来执行沉积。存在去除相 的区域变为收集体单元的位置。然后，留下的聚合物可以采用标准的剥离技 术去除。
在原位生长的情况下，收集体结构110的单元生长为例如如图3-5所示 的形状。收集体结构110的单元生长例如可以采用气-液-固(VLS)技术实 现，其中图案化催化剂首先设置在表面上(如果收集体结构110是整体电极) 或者在表面上的底部导体112上(如果收集体结构110设置在导体上，其可 以被图案化)。催化剂可以通过诸如自组装的技术(例如，釆用硫醇粘合剂 4吏催化剂粒子束縳在图案化的Au上)设置在图案化的导体上，或者可以采 用上面讨论的例如蚀刻或者沉积技术的任何一个图案化，以图案化沉积的材 料，还有其它技术，如喷墨印刷或者蘸笔法(dip pen approach)。然后，收 集体单元自身以要求的温度由前驱体生长在催化剂的位置。例如，如果收集 体结构110为硅，则前驱体为含硅化合物，如硅烷，并且采用金(Au)作为 催化剂的温度可以为550。C左右或者更低。如果硅(Si)要被掺杂，则含有 掺杂物的材料也可以与催化剂或者前驱体来使用。生长后呈现的任何残留催 化剂可以采用对催化剂特效的蚀刻剂(例如，Si生长的Au催化剂的金蚀刻 剂)从收集体单元去除。对于W是收集体单元特征宽度的收集体结构110， 用于收集体生长的纳米粒子催化剂可以用作自动获得图3-5中的有利的纵对黄
比(A/W),即大于一。例如，如果碳纳米管或线的纳米粒子催化剂冲压在 收集体图案中的表面上，则可以拓展纳米管或线生长以给出具有有利的纵横 比的实质上垂直的收集体单元。这些结构可以用作收集体单元，如制造时的 结构或者被涂覆(例如，通过电化学法)。
在压印的情况下，收集体结构110可以在包括玻璃、金属箔或者塑料的 基板上，通过按压(镶嵌)到已经存在的活性(吸收体)材料而定位，由此 也导致图6中的结构。对于镶嵌法(in lay approach)的收集体结构110已与 上面讨论的制造收集体结构110相同的方法生产，例如，它们可以通过蚀刻或者沉积制造，所用的技术可以采用嵌段共聚物、印刷或者冲压技术、光学 或者电子束光刻以及沉积/剥离或者其它方法，如电化学沉积。在该实施例中， 收集体单元可以在导电表面上或者自身是整个电极。
催化剂定位或者通过雾化或者通过气-液-固(VLS)沉积的技术也可以 用于形成收集体单元间区域或者吸收体或者收集体结构110的活性材料。收 集体结构110也可以是吸收体自身。在所有的这些结构中，光可以从设置收 集体结构110的一侧(顶或底)进入或者从另一侧进入。因此，在这些结构 类型中，除非在结构中采用反射体，光可以进入顶侧、底侧或者顶侧和底侧 二者。在顶/底电极设置(例如，图2-6)中，如果需要，收集体结构110可 以定位在顶或底或者顶和底二者。
在另一个实施例中，在收集体单元间定位的活性材料是通过三种技术之 一制造的薄膜晶体硅(1) a-Si的晶化，(2)多晶硅沉积，或者(3)诸如 气-液-固(VLS)沉积的催化处理。
非晶硅(a:Si)可以通过炉退火或者快速热退火(RTA)进行的固相晶 化(SPC)转换为多晶硅(poly-Si)。沉积在收集体单元间的薄膜非晶硅可以 在整个电池制作后或者在非晶硅材料沉积后通过SPC转换成多晶硅吸收体 材料。如果采用RTA，则给出了这样的示例温度-时间步骤，750°C RTA曝 光在一分钟内可以产生所需的结晶化。典型的SPC多晶硅可以具有 10 pm 的收集长度和 10 的吸收长度。收集长度和吸收长度确定了收集体结构 IIO的尺寸C和A,如果是非吸收体，其单元可以具有纳米级W值，例如， 柱直径、鳍厚度或者蜂窝厚度。如果单元是吸收体材料，则这些直径/厚度 W尺寸不需要是纳米级，而是为了效率进行优化而保持尺寸C和A。
薄膜多晶硅和/或锗可以直接沉积为定位在收集体单元之间的吸收体，例 如，在约580。C或者更高的温度下通过LPCVD沉积。典型的沉积多晶硅可 以具有约5 pm的收集长度和约10拜的吸收长度。收集长度和吸收长度确 定了收集体结构IIO的尺寸C和A。
薄膜晶体硅和/或锗以及其它吸收体材料可以通过气-液-固(VLS)和现 有的沉积技术直接沉积在收集体单元之间的区域。在该实施例中，可以如图 7所示沉积用于Si VLS生长的诸如Au的催化剂128。在图7所示的实施例 中，收集体单元之间的区域可以包括掺杂的多晶硅层124和相反掺杂、未掺 杂或者二者的VLSSi层(多层)126。催化剂128的沉积可以用任何标准技术完成，如物理气相沉积和化学气相沉积、电化学沉积或者自组装
(self-assembly )。如果收集体结构110还用作电极，则催化剂128可以直接 设置在基板114上，或者催化剂128可以设置在导体112上。通过束缚的自 组装比如通过硫醇粘合剂将Au催化剂粒子耦合到导体可以应用于现有的导 体。然后，其上具有收集体结构110和VSL催化剂层128的基板114被放 置在VLS反应器中。引入诸如硅烷的硅前驱体(Au作为催化剂时在 T 450-55(TC下)，并且Si前驱体的分解导致Si在Au膜中液相的Au/Si合金 中的建立。然后，当Si浓度超过临界水平时Si被排出并导致收集单元间区 域中结晶Si的生长。然后，根据需要，可以从结晶Si的外表面蚀刻掉催化 剂(例如，Au) 128。因为该材料可以高度结晶，所以其收集长度和吸收长 度至少可以是多晶硅的收集长度和吸收长度。这些长度决定了所采用收集体 结构IIO的尺寸C和A。
在该VLS吸收体生长方法中，催化剂128可以用已有收集体单元定位。 如果需要，催化剂128可以比如通过掩模来避开收集体单元的顶表面。作为 选择，催化剂128可以在收集体单元存在之前定位。在该实施例中，催化剂 128采用标准的方法沉积并具有容放要采用的收集体结构110所需的必要图 案。该图案采用包括嵌段共聚物、冲压、压印或者束流或者光刻法以及剥离 和/或蚀刻的方法产生。在VLS生长后，吸收体区域例如通过使用沉积规定 收集体图案，从而定位收集体。也可以采用剥离和/或蚀刻。
采用诸如图3-5所示的收集体结构110 (以及对应的收集体单元)制作 太阳能电池可以利用化合物半导体作为定位在收集体单元之间的活性材料。 在该实施例中，化合物半导体仅可以用作吸收体或者吸收体/收集体，并且可 以包括有机或无机粒子或分子的添加物。沉积这样薄膜的技术是公知的，并 且包括胶体化学技术的包括类似于上述讨论的VLS型方法。
有机材料(一种材料或多种材料)可以直接设置为活性材料，通过各种 物理和化学方法定位在收集体单元之间。物理方法包括升华、雾化和铸造。 化学方法包括电化学聚合、气相反应、气相聚合、表面引发聚合和表面终止 聚合(surface-terminated polymerization )。在后者的方法中，单元或者化合物 可以沉积在表面上，且用作反应引发剂(reaction initiator )。引发剂和基板之 间结合的实质是化学键(离子的或共价的)，诸如氢键的弱结合或者偶极子-偶极子交互作用(dipole-dipole interaction )。尽管所述工艺可以用于在收集体单元之间产生活性层(吸收体)，但是该工艺也可以用于形成活性区域中 的收集体单元，以及形成收集体单元的表面层。为了产生收集体单元自身的 特定目的，这些工艺也可以针对于发生在平面基板上。
在形成活性层的表面引发方法中，有机分子以 一种方法暴露到基板束缚 的或者收集体单元束缚的引发剂，引发所希望的化学反应。反应利用的分子 在尺寸上从实质上几个原子到高分子。只要分子呈现为增殖，反应就会进行，
或者直到引入终止分子(termination molecule )。最后产生的分子可以以可控 的厚度高序排列。可以采用气相聚合或者表面引发聚合。
在表面终止方法中，在给出所希望的物理和化学特性的条件下在溶液中 形成高分子。然后，高分子暴露到包含终止基团的表面。位于表面上的终止 基团结束高分子的增殖，而同时将其锚固于表面。该方法允许利用典型溶液 聚合技术，而保持控制表面覆盖范围和密度。
结晶硅或者非晶硅或者其它无机半导体也可以用作形成收集体结构110 的材料。例如，根据需要，可以采用薄膜晶体硅并且n型或者p型掺杂。为 了形成收集体结构110 (例如，柱、鳍、蜂窝)，可以以必要的图案化催化剂 128来使用VLS方法。适合于柱状生长的图案化的催化剂128如图8所示。 例如，采用已知的印刷技术通过印刷含金层，可以实现这样的图案化催化剂。 这样的含金层可以由例如含金墨水，或者设计为粘附到接触的基板的功能化 Au纳米颗粒的材料组成。对于图8所示的该图案化催化剂和VLS方法，在 该示例中可以生长柱，如图9所示。然后，可以通过简单的蚀刻去除定位在 单元顶上(和任何侧壁上)的催化剂。然后，在收集体单元之间定位活性材 料。对于收集体单元功能，可以使用各种催化剂，并且可以生长其它半导体 以及金属。通常，可以采用这样的定位技术获得催化剂的沉积和图案化，包 括沖压、静电印刷、印刷和蘸笔(dippen),或者通过在从采用嵌段共聚体、 压印、束流或光学光刻的蚀刻或剥离图案化时釆用其它标准的物理的和气相 的沉积技术或者电化学沉积。
根据催化剂的类型和形状的具体情况，以及是否由粒子组成(图10 )或 者是不连续膜(图11)，收集体单元垂直于基板的程度可以变化。在图10 和11的结构中，具体示出了纳米单元132的情形，光可以通过顶导体118 或者底导体112进入器件。 一个导体，例如，图10中的底导体112,具有纳 米单元132，例如纳米线或者纳米管，电连接到表面覆盖导体，并且从导体延伸穿入活性层116中。另一个导体，例如，图10中的顶导体i18不必具 有纳米单元，这为图IO所示的情形。纳米单元132旨在帮助光生载流子的 收集。如果图10中的底导体112是阳极，则纳米单元132设计为收集空穴
(无论是从活性层收集的自由空穴，在单元表面通过分解激子产生的空穴， 或者其结合)。如果图10中的底导体112是阴极，则纳米单元132设计为收 集电子(无论是从活性层收集的自由电子、在单元表面通过分解激子产生的 电子或者其结合)。纳米单元132的材料成分选择为增强所收集载流子的迁 移率，以提供必要的功函数差(与顶导体118)而帮助建立内建收集电场， 或者具有带阶(偏移)而帮助收集，或者其某种结合。光生实体产生在活性 材料中，活性材料可以是有机、无机或者结合的材料体系，定位于导体112 和118之间，以及在穿透纳米单元132之间。活性层116可以包含半导体、 染料、量子点、金属纳米粒子或者其结合。活性层材料可以是光吸收体或者 吸收体与产生电荷的收集体或者多个收集体的混合。活性层材料体系可以通 过各种生长和沉积方法制造，包括化学和电化学方法、化学气相沉积或者物 理气相沉积。活性层材料体系也可以包含电解质。
图10和11的结构可以采用催化方法定位和制造。图IO所示的纳米粒 子130用于穿入活性层116的纳米单元132生长的催化剂。纳米粒子130在 纳米单元132生长后可以保留或者可以不保留。金属纳米粒子130可以设计 为在生长后保留，以用于产生等离子体振子而提高活性层116上的光吸收。
可以首先生长纳米单元132，然后在纳米单元132周围生长或沉积活性 层116。例如，纳米粒子/单元(纳米线或者纳米管)体系可以是用于硅纳米 线的生长的金纳米粒子和用于碳纳米管和纳米丝的铁或铁基纳米粒子。作为 具体的示例，在Si的情况下，首先，通过旋涂、喷涂、冲压、印刷或者包 括利用细菌的其它分散技术沉积催化剂纳米粒子，从而可以在底电极上生长 硅纳米线。随后，被涂覆的底导体置于用于Si纳米线生长的生长室中，Si 纳米线的生长例如可以通过采用低压化学气相沉积(LPCVD)的气-液-固
(VLS)技术完成，在生长期间利用例如硅烷、二氯甲硅烷等的Si前驱体气 体，或许对于纳米线掺杂而利用掺杂气体。所形成的纳米线的密度和方向可 以采用催化剂尺寸、类型和布置以及沉积参数进行调整。对于诸如C、 ZnO、 GaN和CdTe纳米管和纳米线的其它半导体纳米结构的生长可以采用相同的 催化方法。在碳的情况下，首先，通过旋涂、喷涂或其它分散技术沉积催化剂纳米 粒子，从而可以在底导体上生长碳纳米通道或者纳米丝。随后，涂覆后的底 导体置于用于生长碳纳米管或者纳米丝(纳米线)的生长室中(例如，采用
碳前驱体气体和低压化学气相沉积(LPCVD))。
根据催化剂纳米粒子尺寸和单元生长条件，图IO所示的催化剂纳米粒 子130在生长期间实际上可以从底导体112上消失，这是由于它们依附在生 长的纳米单元132的顶上，或者它们结合到生长的纳米单元132中。由这样
随机方位，或者更加有序地垂直于底导体112,这取决于催化剂纳米粒子的 尺寸和生长条件。在任何条件下，得到的纳米单元132至少在它们穿入活性 层116中的一部分上横向收集。
作为在底导体112或顶导体118上定位催化剂纳米粒子130的选择，可
可以通过诸如蘸笔或者冲压的定位技术制造催化剂材料的不连续膜。例如， 厚度小于约10nm的物理沉积的金属膜通常是不连续的，由此有效地给出由 纳米岛覆盖的表面，这可用作所需纳米线或者纳米管生长的催化剂。
横向收集方法可以采用构成相对电极的单元，如图12所示。横向收集 概念不要求阴极和阳极布置为如图1-7、 10和11所示，即不需要一个电极在 另一个的电极的上面，而是两个电极可以横向地彼此面对。在横向电极布置 中，光生实体(激子和/或自由空穴和电子)实质上全部以横向的方式完成， 即实质上与吸收长度方向成90度。前面讨论的术语"垂直收集长度"现在 是指横向长度。此外，吸收长度和垂直收集长度彼此不再具有任何关系。例
如，在图10的实施例中，只有一种载流子(通常具有较差迁移率的那种) 的收集以与吸收长度方向成角度完成。在两个电极都横向设置的横向收集方 法中，通常，两个电极(阳极和阴极)每一个都由独立的纳米和/或微米级单 元的阵列形成。
对于两个电极都横向设置的横向收集方法，可以采用图12和13的鳍结 构或者其它类似的电极结构的任何一个。在图12和13的实施例中，可以具 有纳米级或者微米级阵列间隔，其设置是这样的，第一电极134的所有部件 和第二电极136的所有部件设置在绝缘体(未示出)上，并且彼此电隔离， 其中一个电极用作收集光生空穴(无论是直接产生的、激子分解产生的或者二者)的阳极，而另一个电极用作收集光生电子(无论是直接产生妁、激子 分解产生的或者二者)的阴极。光生实体产生在活性材料中，该活性材料可
以是有机的、无机的或者结合的材料体系，设置在电极134和136之间。活 性层可以包含半导体、染料、量子点、金属纳米粒子或者其结合。活性层材 料可以是光吸收体或者吸收体与产生电荷收集体(分离器)材料的混合。活 性层材料体系可以由前述的各种生长和沉积方法生产，包括化学和电化学方 法、化学气相沉积或者包括雾化的物理气相沉积。活性层材料体系也可以包 含电解质。第一电极134的单元可以布置成如图12所示的层次，其中较小 尺寸的单元连接到较大单元，以减小串联电阻。第二电极136的情况也一样。 在截面图中，图12的示例结构会呈现为如图13所示。活性层116可以厚于 或者可以不厚于第一电极134和第二电极136结构的高度A。尺寸A优选等 于活性材料的吸收长度。另外，第一电极134和第二电极136结构二者的宽 度W应当尽可能小，优选在纳米级范围，但是要兼顾串联电阻损耗和制造 应考虑的因素。如图12和13所示的电极134和136的布置不需要活性层116 上的底电极或顶电极。另外，光101可以通过顶側或者底侧进入。反射体可 以设置在一侧。相邻单元之间的阵列间隔C是一个活性材料收集长度或者更 小的量级(order)。电极单元自身除了收集光生实体外，还可以(1 )是吸收 体，(2)提高光反射和捕获，(3)用于粘附量子点/纳米粒子、单层或者其它 材料而增强性能，以及(4)是与吸收过程交互作用的等离子体振子源。该 实施例可以用在光产生应用中。在光产生应用中，活性层116不吸收光，而 是产生光。相应地，在此情形中的电极134和136不是收集载流子，而是注 入载流子。如前所述，这些发光结构基本上以与光伏器件相反的方式运行， 并且根据需要进行材料选择。
诸如图12和13所示的横向收集光伏结构的阳极和阴极可以由跨越活性 材料并产生在其间定向的内建电场(或者，相当地，内建电势)的材料制作。 电场方向基本上垂直于吸收长度方向。产生电场需要阳极和阴极成对，如高 功函数金属和低功函数金属、p型半导体和n型半导体、高功函数金属和n 型半导体或者低功函数金属和p型半导体。电极134和136可以采用自组装 处理(例如，用等离子体)或者涂覆有膜或者有单层以调整功函数。另外， 电极材料也可以具有能带阶(偏移)，用于阻挡空穴(在阴极处)或者阻挡 电子(在阳极处)以助于载流子收集。诸如图12和13所示的横向阳极和阴极电极布置可以采用公知的光刻技 术(如光刻以及电子束和离子束光刻)与完善建立的蚀刻和/或剥离技术相结 合制作。它们也可以采用这样的技术制作，如嵌段共聚物图案化、压印以及 分步和闪光光刻与完善建立的蚀刻或者剥离技术相结合。此外，它们可以通 过其它技术制作，如蘸笔加工、喷墨印刷、静电印刷和冲压，这些不要求蚀 刻以及剥离。诸如图12和13所示的横向阳极和阴极电极布置也可以通过在 材料中图案化的激光写入来制作，该材料在光子撞击时反应而形成图案化的 电极布局。这可以从第一电极134到第二电极136顺序进行。为了获得所需 的不同材料体系以产生所希望的内建电场和带阶，可以采用前述方法首先定 位第一电极134，然后定位第二电极136。作为选择，两套电极单元可以由 相同的材料制作，然后一个电极用不同的材料电镀以产生电场和带阶。因为 每套电极单元具有独立的与外界的连接，所以这很容易做到。通常，可以生 长或者沉积被图案化和用于制作第一电极134和第二电极136的材料。
诸如图12和13所示的横向阳极电极和阴极电极布置也可以采用诸如电 化学沉积的无电镀和/或电极驱动镀覆整体制作。例如，可以这样进行镀覆， 对于第一电极134的电化学生长采用第一溶液而定位第一导电图案，并且对 于第二电极136的电化学生长采用第二溶液而定位第二导电图案。如上所述， 两个电化学沉积溶液用于为阳极和阴极获得两个不同的材料。在要求获得需 要横向设置阳极和阴极的电化学沉积的设计中，图案应当定位在绝缘基板 上。例如，在图12和13所示结构的情况下， 一个图案会是在基板上以形成 第一电极134，而另一个电隔离焊盘会在基板上以形成第二电极136。这样 的电极前驱体图案化可以以光学、束流和压印光刻与蚀刻和/或剥离相结合进 行。电极前驱体图案化也可以通过诸如直接图案化的技术完成，其中通过各 种技术将图案材料涂覆在指定图案中，包括冲压、蘸笔、印刷、静电印刷或 者喷墨印刷。这些图案(例如，图12和13的示例中的图案)然后可以依次 电偏置以电化学沉积一个材料的电极和另一个材料的 第二电极。就是说，为 了获得第一电极134的电化学沉积，可以采用第一图案与涂覆到基板上的第 一溶液的顺序偏置，而为了获得第二电极136的电化学沉积，可以釆用第二 图案与涂覆到基板上的第二溶液的顺序偏置。
电化学沉积也可以以替换的方式使用以获得诸如图12和13所示的横向 阳极和阴极电极布置。在光伏器件的阴极和阳极所需的布置中采用前面讨论的技术图案化的包括凹陷的第 一材料电极和第二材料电极的模板施加到存 在电化学沉积溶液的基板。该基板是导电的。通过在模板中的第一材料电极
图案和基板之间施加电偏压，由此形成第一电极134的材料受模板的引导沉 积在基板上。接着，通过在模板中的第二材料电极图案和基板之间施加电偏 压，由此形成第二电极136的材料受模板的引导沉积在基板上。然后，该模 板可以移步(stepped)和再用。根据需要，将基板上起始导电膜蚀刻掉或者 转换为绝缘体，以防止短路。这里的概念是使用模板(分别为第一和第二材 料)中不同的电极材料和通过由模板中两种电极的横向布置能够沉积横向收 集布局的阳极和阴极所需的两种不同材料。该技术也去除或者转换了覆盖该 表面的起始薄膜。
如图12和13所示的横向阳极电极和阴极电极布置也可以采用催化剂控 制生长来制作。例如，通过定位用于第一电极134生长的催化剂A和定位用 于第二电极136生长的催化剂B来进行催化剂控制生长。这些催化剂可以具 有获得必要的横向设置阳极和阴极所需的图案。例如，在图12和13的结构 的情况下，催化剂A会以第一电极134的形式在基板上图案化，并且催化剂 B会以第二电极136的形式在基板上图案化。这样的催化剂图案可以如上所 述完成。所包括的技术可以是光学、束流和压印光刻与蚀刻和/或剥离相结合， 并且应用于生长或者沉积的催化剂材料。可以通过在光子撞击时反应的材料 中的图案的激光写入来完成以获得催化剂(或者直接形成图案化的电极布 局)。可以顺序完成获得图案化的催化剂A和催化剂B。在给基板施加催化 剂后，第一和第二电极134和136采用它们各自的催化剂生长。也可以采用 电化学和化学工艺(例如，VLS)。
催化剂A和催化剂B的施加和图案化也可以利用定位技术来完成，如 催化剂"墨水，，的冲压、蘸笔、静电印刷或者喷墨印刷。这样的墨水可以包 含粒子、自组装分子、层、或材料、或包含催化剂的层或者材料。通过冲压、 蔬笔或者喷墨印刷获得的图案化的催化剂A和催化剂B可以通过适当考虑 对准的顺序步骤完成。在沖压的情况下，可选择的是同时沖压催化剂A和催 化剂B到基板上。后者的冲压方法可以实现图12和13的结构，通过(l) 以图12和13的图案将沖模施加到含墨槽而同时获得墨水，或者通过(2) 采用蘸笔、喷墨或者类似的技术连续给沖模施加墨水。在给基板涂覆催化剂 后，第一电极134和第二电极136使用它们各自的催化剂生长。使用化学工艺(例如，VLS)。然后，所产生的第一电极和第二电极单元的截面可以接近图13的矩形。例如，如果生长的第一和第二电极134和136是高纵横比纳米粒子的紧密堆积阵列，该纳米粒子例如为从图案化的催化剂A和B催化生长的Si纳米线单元(在生长期间可以掺杂)和碳纳米管单元，则第一电极和第二电极单元的截面可以非常接近于这样的大体上的矩形形状。
对于所有制造横向收集电极结构的各种方法，如前所述，可以以很多方式获得包含活性材料设置的有机或者无机吸收体。包括各种物理和化学气相沉积技术。具体地讲，包括雾化、喷涂和旋涂技术。诸如ZnO、 GaN、 CdSe、PbS和有关半导体的材料可以采用已知的胶体化学的技术制造，由此在第一电极134和第二电极136之间原位生长材料。按此，可以真空沉积和使用诸如a-Si:H和多晶硅的无机半导体材料。在诸如a-Si、 a-Ge等非晶材料的情况下，包括不同金属的SPC包括固相晶化(MISPC)，可以用于将这样沉积的非晶半导体原位转换为晶体材料。在任何层之间或者电极单元上可以设置支
持材料(Support materials )，如空穴导电层、电子导电层、电子表面改性或者对表面改性引发或者提供附着点的层。
如图12和13所示的横向收集结构的阳极和阴极也可以自身用作催化剂，用于在诸如化学生长或者金属诱导固相晶化的技术中活性层的形成工艺。阳极、阴极或者二者可以起催化剂的作用。例如，如果硅是活性层116，则可以以电极之一作为VLS的催化剂，采用VLS化学生长将其生长在阳极和阴极之间的区域中。根据电极材料以及由此采用的催化剂，在30(TC和600。C之间的温度可以以这样的方式生长晶体Si。例如，在硅的SPC的情况下，使用Ni作为电极之一且作为增强SPC工艺的金属，以各种时间-温度退火工序完成MISPC,沉积的非晶硅可以晶化为活性层。
在复合电极载流子收集方法的横向收集中，至少一个电极(阳极或阴极)是复合结构，并且第一电极140 (阳极或阴极)和第二电极142 (阴极或阳极)如图14-17所示布置，活性层材料如图所示定位。图14-17的结构是顶电极在底电极上的构造，与图12和13的示例中给出的横向电极构造相反。在图14和15所示的形式中，第一电极140是复合结构，并且第一电极140的每个单元的顶部是导电第一电极材料。可见导电第一电极材料在每个部分中由绝缘体138与设置在基板上的第二电极142电隔离。第一电极和第二电极材料考虑产生用于对光生电荷载流子收集的内建电场的可选材料进行选择。产生这样的电场要求阳极和阴极对可以是高功函数金属和低功函数金
属、p型半导体和n型半导体、高功函数金属和n型半导体或者低功函数金 属和p型半导体。第一电极140和第二电极142可以处理(例如，用等离子 体)或者涂有膜或者釆用自组装形成的单层而调整功函数。第一和第二电极 材料也可以选择为通过利用带边偏移(台阶)(band edge off-sets (steps))提 高电场收集，这在激子分解中会特别有用。该结构中的收集具有横向和垂直 (例如，平行于吸收长度)两种方式。图14和15的方法中所需的绝缘体138 可以通过包括沉积、电化学反应和包括氧化和氮化的生长的技术制造。
在图16和17所示的实施例中，每个单元都是复合结构，该复合结构包 含由绝缘体138分开的第一电极和第二电极部分。于是，两个电极140和142 单独接触(未示出)以连接到外部电路。选择第一电极和第二电极材料通常 考虑产生用于光生实体收集的内建电场的可选材料。第一和第二电极材料也 可选择为通过利用带边偏移(台阶)来增强收集。该结构的最终结果是可横 向和垂直收集光生载流子。图16和17的方法所需的绝纟彖体138可以通过诸 如沉积、电化学反应或者包括氧化或氮化的生长而制造。
图14-17所示方法提供了替换方案，其没有图12和13所需的顺序产生 横向第一电极134和第二电极136的结构。图14-17的部件采用前面讨论的 各种可能的方法图案化和制作，包括图12和13的实施例所用的方法。图 14-17的复合电极中尺寸A优选等于活性材料吸收长度。另外，图14-17中 的单元宽度W应当尽可能小，如果单元材料不用作吸收体，则优选为纳米 级的范围，但要兼顾串联电阻损耗和制造上的考虑。
图18示出了光伏器件的截面图，其中所示电极单元位于活性材料中。 光伏器件160包括第一导体或电极150，该第一导体或电极150可以是非图 案化(非结构化)的电极，并与第二电极152相对，第二电极152包括收集 体元件的阵列。第二电极152可以包括结构化的收集体单元(例如，柱、纳 米管、纳米线、鳍、蜂窝或甚至分子线)，用于改善光生实体(激子和/或电 子或空穴)收集。相邻于第二电极152定位的是活性层154,并且相邻于第 一电极150定位的是收集材料或者空穴转移层(HTL) 156,在该实施例中 用于提高空穴收集。在第一电极150和第二电极152之间，可以是绝缘体或 者隔板材料158。该结构可以由一些工艺的结合形成，包括蚀刻、生长沉积、 剥离或者压印(镶嵌)。在该实施例中，绝缘体或隔板材料158呈现为覆盖第二电极152的收集体单元，以防止第二电极152与第一电极150接触所致的器件短路。第二电极152的阵列间隔和单元可以是微米和/或纳米级。这样绝缘覆盖材料的应用在将第二电极152按压或者压印(镶嵌)到活性层116中时特别有用。
在釆用压印技术(impressing technique)制造光伏器件期间，第一电极150可以具有HTL 156，然后是直接设置在第一电极150上的活性层154。然后，第二电极152压入活性材料154。这样做时，通过至少一个第二电极152的收集单元压过活性层154到该示例中的空穴收集体材料(例如，HTL)156甚至到第一电极150,能够短路光伏器件。如果第二电极152穿过活性层154且紧密靠近收集体材料156或第一电极150,则可能导致光伏器件的短路。
为了防止在由印才莫技术制作的光伏器件中形成这样的短路情形，绝缘体或者隔板材料158设置为覆盖在第二电极152的收集体单元上，以防止第二电极152与收集体材料156、第一电极150或者二者接触。
第一电极150和第二电极152可以由导电或者半导体材料组成。可用于第一电极150和第二电极152的常规材料是但不限于铟锡氧化物、铝、金、碳纳米管和氟化锂。
活性层154由吸收体和电荷载流子(例如，分离材料)或者其任何结合组成。活性层154可以包括半导体、染料、量子点、金属纳米粒子、导电聚合物、导电小分子或者其组合。收集体材料156可以是HTL(典型地，聚(3,4-乙撑二氧基p塞吩(3,4-ethylenedioxythiophene )):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)，但可以包括掺杂的聚(苯胺)、不掺杂的聚(苯胺))或者可以完全没有。
在该覆盖方法的使用中，绝缘体158可以由任何不导电材料组成，这可防止第二电极152与HTL 156或第一电极150之间的短路。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)。绝缘层或者绝缘体158的厚度应当厚于收集体材料156的厚度，从而第二电极152的导电部分与收集体材料156和第一电极150之间没有进行电接触。如果不存在收集体材料156，则绝缘体158的厚度必须是绝缘体完整性(integrity)和防止第一电极150和第二电极152之间的任何电接触所需的厚度。
可以通过标准的光刻技术制作第二电极/绝缘体覆盖结构。第二电极/绝缘体结构可以通过很多其它技术制作，包括通过蒸发工艺到电子束或者嵌段共聚物掩模。第二电极/绝缘体结构也可以通过电化学工艺制造。第二电极/绝缘体结构也可以通过硬掩模的干法蚀刻制作。绝缘体结构可以用作蚀刻第
二电极结构的硬掩模，然后适当留下以用作绝缘体覆盖结构。如果绝缘层158存在，则其厚度可以理想地比收集体(例如，HTL)材料156的厚度厚约10至20nm。如果收集体材料156不存在，则根据绝缘体完整性的要求，绝缘体的厚度可以在约5至20nm的范围。
应当理解的是，各种横向收集结构的应用不限于说明书中阐述或图中所示的具体细节和方法。还应当理解的是，这里所采用的措辞和术语仅为了描述的目的，而不应当视为限定。
尽管如图所示和所描述的示范性实施例目前是优选的，但是应当理解的是，这些实施例仅通过示例给出。因此，本申请不限于特定的实施例，而是延伸到落入所附权利要求范围内的各种修改。任何工艺或者方法步骤的顺序或者次序可以根据替换实施例变化或者再排序。
重要的是注意各种示范性实施例中示出的结构的构造与布置仅为示例。尽管在本公开中仅详细地描述了几个实施例，但是阅读本公开的本领域的技术人员容易理解的是，能够进行很多的修改(例如，各种单元的尺寸、规格、结构、形状和属性上的变化，参数值、安装布置、材料使用、颜色、方位等的变化)而没有实质上脱离权利要求中所述主题的新颖性教导和优点。例如，示出为一体形成的单元可以由多个部分或者单元构造，单元的设置可以颠倒或者其它的变化，分离单元的性质或数量以及位置可以改变或者变化。因此，所有这样的修改旨在包括在本申请的范围内。任何工艺或者方法步骤的顺序或者次序可以根据替换实施例变化或者再排序。在权利要求中，任何装置加功能的条款旨在覆盖这里描述的执行引述功能的结构，并且不仅是结构上等同而且包括等同的结构。在示范性实施例的设计、操作条件和布置上可以进行其它的替代、修改、变化和省略，而不脱离本申请的范围。
权利要求
1、一种光伏器件，包括第一导电层；收集结构，与该第一导电层物理接触且电接触；活性层，设置为与该第一导电层相邻且与该收集结构的所有表面接触，该活性层具有吸收长度和收集长度；第二导电层，设置为与该第一导电层相对且与该活性层接触；以及该收集结构包括定位为基本上垂直于该导电层的多个收集体单元，该多个收集体单元从该第一导电层延伸对应于该活性层的该吸收长度的距离，该多个收集体单元分隔开对应于该活性层的该收集长度的两倍的距离。
2、 如权利要求1所述的器件，其中该多个收集体单元生长、被压印或 者沉积在该第一导电层上。
3、 如权利要求l所述的器件，其中该多个收集体单元包括金属。
4、 如权利要求l所述的器件，其中该多个收集体单元包括半导体。
5、 如权利要求l所述的器件，其中该活性层包括有机材料、无机材料、 金属粒子或者量子点中的至少一种。
6、 如权利要求5所述的器件，其中该活性层包括量子点，并且该量子 点位于该活性层和该收集结构的界面处。
7、 如权利要求5所述的器件，其中该活性层包括量子点，并且该量子 点包含在该活性层内。
8、 如权利要求1所述的器件，其中该多个收集体单元或者该活性层中 的至少一者采用气-液-固法来生长。
9、 如权利要求1所述的器件，其中该多个收集体单元或者该活性层中 的至少一者采用表面引发反应或聚合来生长。
10、 如权利要求l所述的器件，其中该多个收集体单元或者该活性层中 的至少 一者采用金属和官能团之间的交互作用来组装。
11、 如权利要求l所述的器件，其中该活性层可以是多种材料的非均匀 混合物或层叠结构。
12、 如权利要求1所述的器件，其中该收集体单元的间隔在约lnm和小 于1000imi之间。
13、 如权利要求1所述的器件，其中该收集体单元具有约lnm和约lGOnm 之间的平行于该第一导电层的宽度。
14、 如权利要求l所述的器件，还包括设置在该多个收集体单元和该第 二导电层之间的至少一个绝缘盖板。
15、 如权利要求l所述的器件，其中该多个收集体单元是柱单元、蜂窝 单元或者鳍单元之一。
16、 如权利要求l所述的器件，其中该收集结构是该第一导电层。
全文摘要
基于微米和纳米收集单元的横向收集光伏(LCP)结构用于收集光生载流子。在一套实施例中，收集单元排列在导电基板上。在某些形式中，收集单元基本上垂直于导体。在另一套实施例中，微米或者纳米级收集单元与导电基板没有直接的物理接触和电接触。在一种形式中，阳极电极和阴极电极二者都横向排列。在另一种形式中，一个电极的收集单元是复合物，其中导体由作为每个收集体单元一部分的绝缘体与设置在基板上的相对电极分隔。在又一种形式中，一个电极结构的收集是包含阳极和用于收集的收集阴极收集单元的复合物。活性材料定位在收集体单元之间。
文档编号H01L31/00GK101689567SQ200880007910
公开日2010年3月31日 申请日期2008年1月10日 优先权日2007年1月10日
发明者戴维·斯通, 斯蒂芬·J·福纳什, 李捍东 申请人:索拉里蒂股份有限公司