专利名称：电子集电极及其在光电伏打中的应用的制作方法
技术领域：
本发明公开的内容广义涉及光电伏打和/或光电池。本发明公开的内容更特别是 涉及光电池和制造所述光电池的方法。
背景技术：
为了将太阳光转化为电(例如，太阳能电池)已经开发了各种各样的光电伏打 (和/或光电池)。已知的光电伏打中的每一种均具有某些优点和缺点。越来越需要提供 替代的光电伏打和/或光电池以及制造光电伏打和/或光电池的替代方法。
发明内容
公开的内容广义涉及光电池。在一些例子中，光电池可以是太阳能电池。示例的 光电池可包括电子导体、空穴导体、和位于电子导体和空穴导体之间的激活区。在一些说明 性的实施方案中，电子导体可包括纳米丝阵列和设置在纳米丝阵列之上的壳层。为了良好 地转移电子，纳米丝阵列可包括具有较高的电子迁移率的材料。在一些情况下，纳米丝阵列 的电子迁移率可按照要求大于30cm2/V/s、大于100cm2/V/S、大于200cm2/V/s、或更高。为了 良好地接受来自激活区的电子，壳层可包括具有较高状态密度的材料。在一些情况下，纳米 丝阵列可包括ZnO，而壳层可以是TiO2,但这并不是必需的。上面一些实施方案的概述并非想描述本发明的每一个公开的实施方案或每一个 实施方式。附图和随后的说明更详细地示例一些说明性的实施方案。
结合附图，参考下面的本发明的各种实施方案的详细说明可更全面地理解本发 明，其中图1是示例的光电池的示意性侧视图。虽然本发明服从于各种变形和替代形式，在附图中以示例的方式显示了其细节， 并将进行详细的描述。然而，可以理解的是，目的不是为了将本发明限制到所描述的具体实 施方式。正相反，目的是为了覆盖落入本发明的精神和范围中的所有的变形、等价物和替代 物。
具体实施例方式对于下面限定的术语，这些定义应该是适用的，除非在权利要求或在本说明书的 其他地方给出了不同的定义。无论是否明确地表明，假定这里的所有数值被术语“大约，，修正。术语“大约，，通 常指的是本领域的技术人员认为等效于列举的值(即，具有同样的功能或结果)的数值的 范围。在很多情况下，术语“大约”可包括四舍五入为最接近的重要数字的数。通过端点列举的数值范围包括在该范围内的所有数(例如，1到5包括1、1. 5、2、2. 75,3,3. 80、4 和 5)。如在本说明书和随附的权利要求中所用的，单数形式的定冠词和不定冠词包括复 数对象，除非记述内容清楚地指示了其他情况。如在本说明书和随附的权利要求中所用的， 术语“或”通常应用在包括“和/或”的理解，除非记述内容清楚地指示了其他情况。下面的描述应参考附图理解。附图未必是按比例绘制的，其描述了并不意图限定 本发明的范围的示例性的实施方案。为了将太阳光或其他光转化为电，开发了各种各样的光电伏打(和/或光电池)。 一些示例的光电伏打包括晶体硅层。第二和第三代光电伏打通常采用沉积在或以其他方式 设置在基体上的光电伏打材料薄膜。薄膜光电伏打可根据沉积的光电伏打材料加以分类。 例如，无机薄膜光电伏打可包括非晶硅、微晶硅、CdS、CdTe、Cu2S、铜铟联硒化物(CIS)、铜铟 镓联硒化物(CIGS)等的薄膜。类似地，有机薄膜光电伏打可包括一种或多种聚合物、松散 的异质结、有序异质结、富勒烯(fullerence)、聚合物/富勒烯混合物、光合材料等的薄膜。 这些仅仅是举例。在光电伏打的设计和生产中效率可起到重要作用。和效率有关的一个因素可能是 电子导体的组成。通常，电子导体可通过收集产生于光电伏打激活区的电子并将它们传送 到阳极来运行。在一些光电池中，η-型半导体可用作电子导体。例如，在一些光电池中，电子导体 可包括ZnO或Ti02。然而，这些材料会限制一些光电伏打的效率。例如，TiO2可具有较低的 电子迁移率(例如，大约为30cm2/V/S数量级)。这可能会限制或减慢电子的传送，因而可 能导致电子将与空穴再结合并因此不能作为电流被传送到阳极和外电路的可能性。因而， 由TiO2制成的电子导体可被描述为具有低的收集效率。在另一个实施例中，由ZnO制成的 电子导体可具有在其导带的底部相对较低的状态密度。这可减慢从光电伏打激活区到电子 导体的电子传送速率。因而，由ZnO制成的电子导体可被描述为具有相对较低的电子注入 效率。光电池中低收集效率和低注入效率可导致向电荷载体的入射光子效率和/或能量转 化效率降低。通常，可通过例如采用提高电池的收集效率和/或注入效率的电子导体来使这里 公开的光电伏打和/或光电池更为高效。可采用这里公开的制造光电伏打和/或光电池的 方法来生产更有效率的光电伏打。图1是示例的光电池10的示意性侧视图。电池10可包括第一基体或电极12 (例 如阳极)、包括第一部件16和第二部件18的电子导体14、激活或光电区20、空穴导体22、 和第二基体或电极24(例如阴极)。电极和/或基体12/24可由任意适合的材料制成。在 一个例子中，电极和/或基体12/24可包括掺杂有氟化物的二氧化锡玻璃或其他适合的玻 璃。在至少一些实施方案中，如上面指出的，电极12是阳极，电极24是阴极。示例性的电子导体14可包括第一部件16和第二部件18。第一部件16可包括纳 米丝阵列。第二部件18可包括覆盖纳米丝阵列的壳层。纳米丝阵列16可包括由具有相 对较高的电子迁移率的材料制成的纳米丝或芯体阵列。在一些情况下，纳米丝阵列16的 电子迁移率可比第一部件18的电子迁移率高(例如，比具有大约30cm2/V/s的电子迁移率 的TiO2高)，在一些情况下，纳米丝阵列16的电子迁移率可按照要求大于30cm2/V/S、大于 100cm2/V/S、大于200cm7V/S或更高。在一些情况下，纳米丝阵列16可包括ZnO，其具有大
4约200cm2/V/S数量级的电子迁移率。第二部件18可包括在纳米丝阵列16上延伸的壳层。壳层可包括在其导带的底部 具有相对较高的状态密度的材料。在一个例子中，可能希望的是壳层18的状态密度高于第 二部件18的状态密度(例如，高于ZnO的状态密度)，但是这不是必需的。在一些情况下， 壳层18可包括TiO2，其具有高于ZnO大约0. 2eV的导带。TiO2可具有从Ti4+的空的3d轨 道形成的导带。相反地，ZnO可具有从Zn2+的空的4s轨道形成的导带。正因为这样，TiO2 中的电子有效质量可大约是10Me，而在ZnO中其大约是0. 3Me。这可能导致TiO2中状态容积 密度高于ZnO (例如，大约为190倍或更高)。因此，收集在TiO2壳层18中的来自激活区20 的电子可能更容易下流到ZnO纳米丝阵列16的导带，并且可能不容易回跳过这个能量垒。在工作期间，电子可首先从激活区20注入到壳层18。然后电子可被沿壳层18传 送并被传送到纳米丝阵列16。最后，电子可被沿纳米丝阵列16传送到电极12(例如阳极)。 壳层18的电子注入效率和纳米丝阵列18的电子收集或传送效率都可被用于增加向电荷载 体的入射光子效率和/或电池10的能量转换效率。制造示例性电子导体14的示例性方法可包括两步过程。第一步可包括纳米丝阵 列16的生长。这可包括化学生长，尽管电化学和/或物理生长也可按照要求被使用。在一 个例子中，基体12可在乙醇中用醋酸锌产生种晶。为了在基体12上排列种晶，基体12可 被热处理(例如加热)。在热处理之后，产生种晶的基体12可被浸入到Zn (NO3) 2和NaOH的 水溶液中并被加热。这可导致在基体12上生长ZnO纳米丝(例如，纳米丝阵列16)。在获 得期望的生长数量之后，基体12 (具有形成在其上的纳米丝阵列16)可用去离子水清洗并 风干。第二步可包括在纳米丝阵列18上生长壳层18。这可包括液相沉积，尽管也可按照 要求使用使用溅射和/或蒸发。在一个例子中，六氟钛酸铵可溶解在去离子水中并与硼酸 混合以形成TiO2壳层溶液。基体12 (具有形成在其上的纳米丝阵列16)可被浸入到TiO2 壳层溶液中从而在纳米丝阵列14上形成壳层16。替代的方法还可用于形成电子导体14。例如，可采用溶胶凝胶方法形成电子导体 14。根据这种方法，在基体12上制备纳米丝阵列16之后，在纳米丝阵列16上涂覆和/或 浸涂TiO2溶胶并随后干燥和烧结以形成TiO2壳层18。可以想到，其他方法也可用于形成 适合的电子导体14。激活区20的组成可根据期望的光电池的类型宽范围改变。例如，激活区20可包 括晶体硅、非晶硅、微晶硅、CdS、CdTe, Cu2S、透明导电氧化物、铜铟联硒化物(CIS)、铜铟镓 联硒化物(CIGS)等、一种或多种聚合物、松散的异质结、有序异质结、富勒烯、聚合物/富勒 烯混合物、光合材料、极薄层吸收体(ETA)、混合材料或层、光敏染料及其混合物和类似物、 或任何其他适合的激活区20的膜(例如薄膜)或层。许多变化考虑用于激活区20，包括采 用或包含基本上任何适合的光电材料，包括基本上任何适合的薄膜光电伏打。在一些实施方案中，激活区20可包括一个量子点或多个量子点。量子点通常是非 常小的半导体，具有纳米范围内的尺寸。因为它们的尺寸小，量子点可展现出量子特性，其 与从较大材料样本所期望的其他量子特征截然不同。在一些例子中，量子点可被认为是由 II -VKIII-V或IV-VI族材料所组成的晶体。所用的量子点可采用任何适当的技术形成。 用于形成量子点的具体材料配伍的例子包括但并不限于MgO、MgS、MgSe, MgTe, CaO, CaS,CaSe > CaTe > SrO> SrS > SrSe > SrTe > BaO> BaS > BaSe > BaTe > ZnO> ZnS > ZnSe > ZnTe > CdO> CdS > CdSe > CdTe > HgO> HgS> HgSe > HgTe > A1203、A12S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2O3> Ga2S3> Ga2Se3、Ga2Te3、 In2O3> In2S3、In2Se3、In2Te3、Si02、GeO2> SnO2> SnS> SnSe> SnTe> PbO、PbO2> PbS、PbSe、PbTe> AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs 和 InSb0激活区20的尺寸或厚度也可以变化。在至少一些实施方案中，激活区20可具有 微米范围内的厚度(例如，大约0.1到大约10微米)。在其它实施方案中，激活区20可以 是纳米范围的(例如大约0.1到大约10纳米)。在另一些实施方案中，激活区20可落入微 米范围和纳米范围之间或落在给定范围之外。可以想到，激活区20可被构造成具有基本上 任意适合的厚度。空穴导体22可被构造成一旦激活区20吸收了光子并将电子喷射到电子导体14 上就会减少激活区20。在至少一些实施方案中，空穴导体22可包括ρ-型导体。在一些例 子中，空穴导体22可以是导电的聚合物，但这并不是必需的。例如，导电的聚合物可以是或 另外包括官能化的聚噻吩。适合的导电聚合物的示例性但非限制性的例子具有 作为重复单元，其中R不存在或是烷基，m是范围从大约6到大约12的整数。术 语“烷基”指具有特定碳原子数目的直链或支链一价烃基。“烷基”的例子包括但不限于甲 基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、正己基、3-甲基戊基等。适合的导电聚合物的另一个示例性的但非限制性的例子具有 作为重复单元，其中R不存在或是烷基。适合的导电聚合物的另一个示例性的但非限制性的例子具有 作为重复单元，其中R不存在或是烷基。适合的导电聚合物的另一个示例性的但非限制性的例子具有 作为重复单元，其中R不存在或是烷基。
电池10的制造方法可包括提供基体12和在基体上设置电子导体14(例如，其可 如这里所述的那样形成)。也可提供并排列激活区20和空穴导体22，从而使得激活区20 设置在电子导体14和空穴导体22之间。虽然这里公开的电池10和电池10的制造方法用光电池描述，但可以想到的是这 里公开的内容也适用于其它薄膜器件，例如发光二极管(LED)。因此，对于扩充的应用，如果 愿意的话，这里公开的内容可类似地用于LED和其他薄膜器件。可以理解的是这里公开的内容在很多方面仅仅是示例。可以对细节特别是与形 状、尺寸和步骤的排列有关的细节进行改变而不超出本发明的范围。本发明的范围当然是 用表述随附的权利要求的语言进行限定。
权利要求
光电池(10)，其包括电子导体(14)，该电子导体(14)包括纳米丝阵列(16)和设置在纳米丝阵列(16)上的壳层(18)；其中纳米丝阵列(16)包括电子迁移率大于30cm2/V/s的材料，壳层(18)包括状态密度高于纳米丝阵列(16)的材料的状态密度的材料；空穴导体(22)；和激活区(20)，其设置在电子导体(14)和空穴导体(22)之间。
2.根据权利要求1的光电池(10)，其中纳米丝阵列(16)包括ZnO。
3.根据权利要求1-2中任意一项的光电池(10)，其中壳层(18)包括Ti02。
4.根据权利要求1-3中任意一项的光电池(10)，其中空穴导体(22)包括导电聚合物。
5 根据权利要求4的光电池(10)，其中导电聚合物包括作为重复单元，其中R不存在或者是烷基，m是范围从大约6到大约12的整数。
6.根据权利要求1-5中任意一项的光电池(10)，其中激活区(20)包括薄膜光电层。
7.根据权利要求1-6中任意一项的光电池(10)，其中激活区(20)包括光敏染料。
8.根据权利要求1-7中任意一项的光电池(10)，其中激活区(20)包括量子点。
9.根据权利要求1-8中任意一项的光电池(10)，其中激活区(20)包括聚合物。
10.根据权利要求1-9中任意一项的光电池(10)，其中激活区(20)包括聚-3-己基噻吩。
11.光电池(10)，其包括电子导体(14)，该电子导体(14)包括ZnO纳米丝(16)阵列和ZnO纳米丝(16)上的 TiO2 壳层(18)；空穴导体(22)；和激活区(20)，其设置在电子导体(14)和空穴导体(22)之间。
全文摘要
本发明涉及电子集电极及其在光电器件中的应用。光电池(10)和光电池(10)的制造方法。示例的光电池(10)可包括电子导体(14)、空穴导体(22)和位于它们之间的激活区(20)。电子导体(14)可包括纳米丝阵列(16)和设置在纳米丝阵列(16)之上的壳层(18)。纳米丝阵列(16)可包括电子迁移率大于壳层(18)的电子迁移率的材料。壳层(18)的状态密度大于纳米丝阵列(16)的状态密度。
文档编号H01L51/46GK101894914SQ20101020329
公开日2010年11月24日 申请日期2010年4月29日 优先权日2009年4月30日
发明者H·唐, L·赵, M·王, X·刘, 郑直 申请人:霍尼韦尔国际公司