捕光天线复合物的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及捕光天线复合物以及其在例如建造光伏电池中的用途。
[0002] 发明背景
[0003] 即使改进保护措施，世界的能源消耗量预计在本世纪末将增至三倍，达到约46万 亿瓦特（trillion watt，TW)。关于未来能源需求，值得注意的是，1.2X105TW通过在宽的 IR光谱到UV光谱中的阳光储存在地球的表面上。主要的能源挑战围绕这个巨大的太阳能 源的转换、存储和有效利用。
[0004] 硅基太阳能电池供应用于高效太阳能电池的最可靠的、最便宜的以及最常用的解 决方案。因此，预期太阳能电池厂将使用某种形式的Si(非晶、多晶、或纳米结构）作为活 性能量捕集元件或作为基板。尽管如此，现有的Si技术产生的电功率仍然比来自化石燃料 的能量昂贵约3倍。因此，大大改善Si基太阳能电池的效率是必要的。
[0005] 太阳能转换效率的基本限制由Shockley和Queisser关于p-n结探讨[1]。对于 理想的p-n I. 3eV带隙结，预测是30%的最大理论效率。实际上，该p-n结的太阳能电池被 包括载流子热化和重组、接点和结损失以及透明度损失的各种来源的损失限制。迄今为止， 最高效率的光伏装置已经使用多个P-n结被制造，即所谓的串联太阳能电池。串联电池的 效率记录近来已超过40% [2]。然而，晶格参数和电池之间的电流匹配的要求限制了发展 并且增加了单个电池的成本。
[0006] 寻找简单的方法将有机层耦合到现有的Si太阳能电池以提高电池的效率是至关 重要的。在这种情况下，即使多达3%的电池效率的初始的小改进将是有用的。这种改进是 如果利用量子原则该系统可以实现的一种可能应用的实例。
[0007] 由于现有的半导体技术在尺寸上收缩超过它当前的45nm，并且由于正在开发 22nm制造技术，量子纳米结构有可能成为未来电子装置的主要部件。未来的革命将创造用 于新的工程结构元件的许多机会。量子装置的制造充斥着许多重大挑战，并且在成功地产 生新一代的量子电子学和逻辑操作装置之前需要突破。除了解决控制的关键问题比如在装 置中操作和测量量子态，这些挑战还包括通常需要微米级至纳米级的分辨率的装置制造困 难、消弱量子装置的操作的退相干。应用采用与简单经典测量相称的量子力学性质的混合 方法可以是对在实际装置中使用室温量子力学的重要步骤。
[0008] 在若干情况下，自然界使用量子力学以实现非凡的结果。众所周知的实例是光合 的捕光复合物的高光子转换效率，所述捕光复合物在小规模内使用相干性性质和量子过 程。在多种多发色团组件中的近期的实验进展已经提高了吸引人的可能性，该可能性是即 使在室温下，量子相干动力学在光合能量转移中起作用[3-5]。已经分别讨论了在基板上具 有不同或相同的能隙结构的发色团的双层组件[6]或三层组件[7]的电子动力学。这些引 人注目的发现指示，在此温度区间内存在量子相干性的关键是在紧密间隔的不同的发色团 之间出现相关的能量波动，从而使颜料能够共用相同的相干模式。
[0009] 参考文献
[0010] [1]M. A. Green, Third Generation Photovoltaics, Springer-Verlag, New York, 35-55(2003).
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[0013] [4]E. Collini 和 G. D. Scholes，Science 323, 369(2009).
[0014] [5] R. van Grondelle 和 V. I· Novoderezhkin, Energy transfer in photosynthesis!experimental insights and quantitative models. Physical Chemistry Chemical Physics 8793(2006).
[0015] [6]G. Gotesman，D. H. Waldeck 和 R. Naaman，J. Phys. Chem. A113, 7213 (2009) ·
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[0017] 发明概述
[0018] 本文公开的本发明的发明人已经开发具有使用理论量子跳变方法的相互作用的 二级系统的简单的环-毂设备（ring-hub arrangement)，所述环-毂设备模拟连接到反应 中心的生物学捕光天线。在量子相干能量转移连同能量紊乱（energetic disorder) -起 存在时，从天线到反应中心的激发转移效率密切地依赖于初始状态的量子叠加性质。在完 整复合物的大部分理论描述中，激子以步进式量子级联的状态在捕获天线至反应中心之间 行进，这产生非常有效的、噪声加强的电荷转移。
[0019] 直接使用生物学捕光天线复合物存在缺点。首先，生物学材料被建造到期满 (built to expire)以便顺利地履行其在有机体的生命周期内的动力学作用；并且，其次， 大规模地分离完整无缺的功能蛋白是需要科学技术套件和设施的昂贵的任务。
[0020] 本发明的发明人已经开发纳米工具箱自下而上的方法，所述方法可以与自顶向下 设计的电动/光电子元件组合，以便改善（提高效率）例如现有的Si太阳能电池的电子/ 光电子特性。本发明基于模拟自然界并且具有级联的能量状态的部件，所述部件包含通过 有机分子互连的（自）组装的多发色团的纳米颗粒，所述部件进而与通过向上转换方法或 向下转换方法收集（和/或传递）电荷载流子的另外的部件共辄。因此，本发明目的在于 在电子/光电子部件中提供有效控制的电荷和能量转移的路径。
[0021] 根据本发明，实施将材料部分（例如，纳米颗粒）分子自组装为结构化的多层组件 以通过调节每个组装的材料层的带隙结构控制电荷和能量转移的路径。具有多种可调性质 的纳米颗粒连同对被用于建造多层结构的结合分子的控制的此组合产生新颖的手段，允许 简单、有效并且有成本效益地将所有部件自组装为具有预设计的光学性质和电子性质的超 分子系统。
[0022] 因此，在一方面，本发明提供包括基板和多层结构的元件，所述多层结构包括至少 两个纳米颗粒层，所述多层结构与所述基板的表面的至少一个区域相缔合，所述纳米颗粒 层中的每个包含不同类型的纳米颗粒；
[0023] 其中所述基板材料的带隙大于直接与所述基板相缔合的层中的纳米颗粒的带隙， 并且其中所述基板材料的带隙小于在所述多层结构的最顶层中的纳米颗粒的带隙。这样， 长于被所述基板吸收的波长的波长被所述与基板相缔合的纳米颗粒层吸收，并且较短的波 长被在最顶层处的纳米颗粒吸收。
[0024] 在基板的至少一个区域上形成的"多层结构"包括两个或更多个纳米颗粒层，所述 两个或更多个纳米颗粒层被定位（堆叠、组装）成一个在另一个之上，使得第一层被夹在基 板表面和第二层之间，第二层被夹在第一层和第三层之间，并且每个后续的层位于前一层 和后续的层之间。
[0025] 在某些实施方案中，两个或更多个层被同轴地堆叠。
[0026] 在某些实施方案中，多层结构包括：(a)与基板相缔合的第一层，本文中被称为 "第一纳米颗粒层"或"第一层";(b)位于距基板表面最远处并且仅与一层相缔合的层，本文 中被称为"最顶层";以及（C)至少一个另外的纳米颗粒层，其位于与基板相缔合的层和最顶 层之间，其中所述至少一个另外的层（C)的纳米颗粒的带隙小于在最顶层（b)中的纳米颗 粒的带隙，并且大于在第一层（a)中的纳米颗粒的带隙。
[0027] 在某些实施方案中，多层结构包括（a)与基板相缔合的第一层、（b)位于距基板表 面最远处并且仅与一层相缔合的层、以及（C)至少一个另外的纳米颗粒层，其位于与基板 相缔合的层和最顶层之间，其中所述至少一个另外的层（C)的纳米颗粒的带隙小于在最顶 层（b)中的纳米颗粒的带隙，并且大于在第一层（a)中的纳米颗粒的带隙，并且其中所述 (或每个）至少一个另外的层的纳米颗粒的带隙小于纳米颗粒的后续的另外的层的带隙， 其中，纳米颗粒的后续的另外的层距基板更远。
[0028] 在某些实施方案中，纳米颗粒的多层结构形成渐变的能量带隙（能量漏斗 (energy funnel))，其中具有最小带隙的纳米颗粒层是直接与基板相缔合的纳米颗粒层 (第一纳米颗粒层）。
[0029] 在某些实施方案中，纳米颗粒的多层结构形成渐变的导带结构（或LUM0)，其中具 有最低导带（能量状态）的纳米颗粒层是与基板相缔合的纳米颗粒层（第一纳米颗粒层）。
[0030] 在某些实施方案中，纳米颗粒的多层结构形成渐变的价带（或HOMO)结构，其中具 有最高价带（能量状态）的纳米颗粒层是与基板相缔合的纳米颗粒层（第一纳米颗粒层）。
[0031] 应当理解，在其中基板的表面包括多于一个表面区域的分布的情况下，所述表面 区域中的每个可以与如本文定义的多层结构相缔合，其中第一层以及所述多层结构中的每 个的任何后续的层可以或可以不具有如本文定义的相同的纳米颗粒类型。此外，每个表面 区域可以与包括不同数目的层的多层结构相缔合。
[0032] 在某些实施方案中，在多层中的层的总数小于50。在某些实施方案中，在多层中的 层的总数小于30。在某些实施方案中，在多层中的层的总数小于20。在某些实施方案中， 在多层中的层的总数大于2。在某些实施方案中，在多层中的层的总数大于3。在某些实施 方案中，在多层中的层的总数大于4。在某些实施方案中，在多层中的层的总数大于5。在 某些实施方案中，在多层中的层的总数大于6。在某些实施方案中，在多层中的层的总数大 于7。在某些实施方案中，在多层中的层的总数大于8。在某些实施方案中，在多层中的层 的总数大于9。在某些实施方案中，在多层中的层的总数大于10。在其他实施方案中，层的 总数在2至10之间。在另外的实施方案中，层的数目是2层或3层或4层或5层或6层或 7层或8层或9层或10层。在还另外的实施方案中，层的数目是2层或3层或4层或5层。
[0033] 如上所述，纳米颗粒层在基板的表面的至少一个区域上形成（沉积、组装）。纳米 颗粒与表面区域的缔合通常经由连接基分子例如有机分子。在多层中的任一层中的纳米颗 粒是经由有机连接基分子缔合的中间层，所述有机连接基分子可以或可以不与将第一层缔 合到表面的连接基分子相同。类似地，每层可以与毗邻的层经由相同或不同的连接基部分 缔合或在连接基部分不存在的情况下缔合。
[0034] 第一层