在某些实施方案中，基板材料或基板材料的区域（与多层结构缔合的）被选择以 具有小于在第一层中的纳米颗粒的带隙的带隙。
[0110] 在某些实施方案中，基板材料或基板材料的区域（与多层结构缔合的）被选择以 具有大于在第一层中的纳米颗粒的带隙的带隙。
[0111] 在某些实施方案中，基板材料或基板材料的区域（与多层结构缔合的）被选择以 具有小于在最顶层中的纳米颗粒的带隙的带隙。
[0112] 在某些实施方案中，基板材料或基板材料的区域（与多层结构缔合的）被选择以 具有大于在第一层中的纳米颗粒的带隙的带隙，并且具有小于在最顶层中的纳米颗粒的带 隙的带隙。
[0113] 在某些实施方案中，基板材料或基板材料的区域（与多层结构缔合的）被选择以 具有低于在第一层中的纳米颗粒的导带的导带（能量状态）。
[0114] 在某些实施方案中，基板材料或基板材料的区域（与多层结构缔合的）被选择以 具有高于在第一层中的纳米颗粒的价带的价带（能量状态）。
[0115] 在某些实施方案中，基板材料或基板材料的区域（与多层结构缔合的）被选择以 具有高于在第一层中的纳米颗粒的导带的导带（能量状态）。
[0116] 在某些实施方案中，基板材料或基板材料的区域（与多层结构缔合的）被选择以 具有低于在第一层中的纳米颗粒的价带的价带（能量状态）。
[0117] 在某些实施方案中，基板材料或基板材料的区域（与多层结构缔合的）被选择以 具有低于在最顶层中的纳米颗粒的导带的导带（能量状态）。
[0118] 在某些实施方案中，基板材料或基板材料的区域（与多层结构缔合的）被选择以 具有高于在最顶层中的纳米颗粒的价带的价带（能量状态）。
[0119] 因此，在另一方面，本发明提供包括基板和至少两个间隔开的多层结构的元件，所 述多层结构中的每个位于所述基板的不同的表面区域上，所述多层结构中的每个包括至少 两个纳米颗粒层，其中表面材料的带隙小于在与表面的第一区域相缔合的纳米颗粒层中的 纳米颗粒的带隙，并且其中表面材料的带隙大于与表面的另外的区域相缔合的纳米颗粒层 中的纳米颗粒的带隙。
[0120] 在某些实施方案中，基板的至少表面区域与多层相缔合。所述至少表面区域与包 含多个第一类型的纳米颗粒的第一层相缔合，所述第一层与包含第二类型的纳米颗粒的第 二层相缔合，所述第二层任选地与包含第三类型的纳米颗粒的第三层相缔合，并且每个后 续的层包含多个至少另外类型的纳米颗粒；基板和后续的纳米颗粒层被选择以便形成能带 结构，其中第一层的纳米颗粒的带隙小于第二层的纳米颗粒的带隙，并且在每个后续的层 中的纳米颗粒的带隙大于前面的层的带隙。
[0121] 在另一方面，本发明提供包括基板和至少三个纳米颗粒层的元件，其中所述基板 的至少表面区域与包含多个第一类型的纳米颗粒的第一层相缔合，所述第一层与包含第二 类型的纳米颗粒的第二层相缔合，并且相继地，每个后续的层包含不同类型的纳米颗粒；每 种纳米颗粒的类型被选择以便形成逐渐增加的带隙结构，其中第一层的纳米颗粒被选择以 具有最小的带隙并且在最顶层中的纳米颗粒被选择以具有最大的带隙。
[0122] 在某些实施方案中，所述元件的基板材料（与至少三层的多层结构缔合的）被选 择以具有小于在第一层中的纳米颗粒的带隙的带隙。
[0123] 在某些实施方案中，所述元件的基板材料（与多层结构缔合的）被选择以具有大 于在第一层中的纳米颗粒的带隙的带隙。
[0124] 在某些实施方案中，所述元件的基板材料（与多层结构缔合的）被选择以具有小 于在最顶层中的纳米颗粒的带隙的带隙。
[0125] 在某些实施方案中，所述元件的基板材料（与多层结构缔合的）被选择以具有小 于在第一层中的纳米颗粒的带隙的带隙。
[0126] 在某些实施方案中，多层结构包含3层、4层、5层、6层、7层、8层、9层或10层。
[0127] 如在下文中进一步讨论的，作为向上转换或向下转换的模态的带隙构造允许例如 建造更有效的太阳能电池。涉及基板材料和在与基板相缔合的多层结构中的纳米颗粒的向 上转换或向下转换现象分别在方案Ia和方案Ib中被描绘，并且为了简洁的目的，在下文中 关于一般的太阳能电池构造被解释。应当理解，本发明的元件可以被调整（tailor)用于大 量的最终应用。
[0129] 方案la :根据本发明的元件的示例性带结构的示意性描绘：涉及向上转换过程的 元件的带隙结构方案。
[0131] 方案Ib :根据本发明的元件的示例性带结构的示意性描绘：涉及向下转换过程 (能量转移过程）的元件的带隙结构方案。
[0132] 向上转换方案允许改变不被太阳能电池吸收的光子的光谱以有效地使透射的光 谱的红外（IR)部分移位到NIR部分或可见部分。
[0133] 如本领域中已知的，具有小于太阳能电池材料的带隙的能量的光子不被吸收，并 且它们的能量不被用于载流子的产生。具有大于带隙的能量的光子被吸收，但由于产生的 电子的热化，过量的能量变为损失。在硅太阳能电池中，这些光谱损失可以多达50%。
[0134] 如在上文的方案Ia中所描绘，在向上转换方案中，基板材料的带隙大于在与基板 相缔合的层（第一层）中的纳米颗粒材料的带隙。另外，基板材料的带隙小于在描绘的多 层结构的最顶层（第三层）中的纳米颗粒材料的带隙。更具体地，基板和第一纳米颗粒层 的带隙被调整（被调节），以便吸收光子源或电荷载流子（光）源的部件（纳米颗粒层）的 导带带隙边缘低于基板的导带边缘。此结构允许具有低于太阳能电池的带隙的能量的光子 被转换成较高能量的光子，所述较高能量的光子随后被引导回到太阳能电池并被吸收，从 而提尚其效率。
[0135] 在方案Ib中描绘的向下转换方案，带隙结构使得基板材料的带隙小于在第一层 中和任何后续的层中的纳米颗粒的带隙。更具体地，基板和第一纳米颗粒层的带隙被调整 (被调节），以便第一纳米颗粒层的导带带隙边缘高于基板的导带边缘，并且每个后续的纳 米颗粒层以相同的方式被调整以产生具有从基板至最顶层的纳米颗粒层逐渐较高的导带 的体系。此结构允许吸收的光子经历级联的能量转移过程，从而提高太阳能电池的效率。
[0136] 通常，本发明的元件可以被调整以采用类型I或类型II的带构造。"类型I"指的 是纳米结构的带构造，其中两个相邻的层或第一层与基板的纳米颗粒的带偏移使得一个纳 米颗粒层的导带边缘和价带边缘的能量位置在其他相邻的纳米颗粒层或基板的导带边缘 和价带边缘内。"类型II"指的是交错的带构造，其中一个纳米颗粒层的导带边缘的能量位 置位于其他纳米颗粒层或基板的导带边缘和价带边缘之间，并且一个纳米颗粒层的价带边 缘位于其他纳米颗粒层或基板的价带边缘之下。
[0137] 本文描述的本发明可以在不同的最终应用中实施；每种应用可以需要根据本发明 的元件的不同的带结构。因此，可以调节元件的带隙结构以具体地调整此类最终应用。
[0138] 在另一方面，本发明提供调节根据本发明的元件的带隙结构的方法，所述方法包 括：
[0139] -选择具有已知的带隙结构的基板，
[0140] -选择具有已知的带隙结构的纳米颗粒，
[0141] -将所述纳米颗粒缔合到基板的表面并且彼此缔合，以在所述表面上形成多层结 构，使得多层结构的带结构被调节至期望的结构；
[0142] 其中所述纳米颗粒任选地经由连接分子缔合到表面或彼此缔合。
[0143] 在某些实施方案中，通过选择不同的基板和/或纳米颗粒类型和/或连接基分子 实现带调节。在某些实施方案中，通过在本发明的元件内不同地布置纳米颗粒类型和/或 连接基分子实现带调节。
[0144] 在某些实施方案中，本发明的元件具有带结构，其中在第一纳米颗粒层的导带边 缘（和/或价带边缘）和第二纳米颗粒层的导带边缘之间的能量差以及每两个相邻的纳米 颗粒层的和/或第一层与基板的导带边缘的能量差使得允许能量和/或电荷转移（例如， 在一个纳米颗粒层的发射与相邻的纳米颗粒层或基板的吸收之间的光谱重叠）。
[0145] 在某些实施方案中，本发明的元件具有带结构，其中在第一纳米颗粒层的导带边 缘（和/或价带边缘）和第二纳米颗粒层的导带边缘之间的能量差以及每两个相邻的纳米 颗粒层的和/或第一层与基板的导带边缘的能量差为等于或小于环境（元件环境）的（热） 能量的值。在某些实施方案中，每两个相邻的纳米颗粒层和/或第一层与基板的导带边缘 (和/或价带边缘）的能量差等于或小于25meV。
[0146] 在某些实施方案中，基于最终应用例如太阳能电池，选择最顶层的纳米颗粒的带 隙。在某些实施方案中，最顶层的纳米颗粒的带隙等于或小于（激发）源（光子）的能量。 在某些实施方案中，最顶层的纳米颗粒的带隙在IR光谱区间内。在某些实施方案中，最顶 层的纳米颗粒的带隙在NIR光谱区间内。在某些实施方案中，最顶层的纳米颗粒的带隙在 可见光谱区间内。
[0147] 在另一方面，本发明提供形成根据本发明的元件的方法，所述方法包括：
[0148] -选择具有已知的带隙结构的基板，
[0149] -选择具有已知的带隙结构的纳米颗粒，
[0150] -将所述纳米颗粒缔合到基板的表面并且彼此缔合，以在所述表面上形成多层结 构，使得多层结构的带结构被调节至期望的结构；
[0151] 其中所述纳米颗粒任选地经由连接分子缔合到表面或彼此缔合。
[0152] 本发明的元件可以通过化学自组装或定向自组装以形成多种不同类型的层或多 层结构来形成。自组装可以被用于加工包括如本文定义的任何类型的材料的表面的基板。 在某些实施方案中，自组装的多层可以在先前在基板上形成的材料上或在已经被官能化以 具有期望的性质的材料上形成。
[0153] 用于本发明的基板和纳米颗粒可以是预制的（可商购的）或在缔合之前合成的。 具有已知的带隙结构的基板和/或至少一种类型的纳米颗粒可以是预定的，即，在将纳米 颗粒缔合到基板之前。具有已知的带隙结构的基板和/或至少一种类型的纳米颗粒可以用 缔合步骤交替形成，例如第一纳米颗粒层与基板相缔合；随后，进行掺杂剂植入步骤，随后 是另外的层的缔合。
[0154] 缔合步骤可以通过本领域中已知的任何方案和手段进行。在某些实施方案中，用 于纳米颗粒缔合的手段是通过将纳米颗粒和/或连接基沉积在基板上。在某些实施方案 中，沉积手段选自浸渍、旋涂、辊涂、喷涂、分配、印刷、喷墨印刷、平板印刷、冲压、以及其任 何组合。在某些实施方案中，缔合步骤还包括预先处理和/或后处理步骤，例如清洁基板的 步骤。
[0155] 在某些实施方案中，本发明的元件基于用于制造用于电子工业的部件的半导体基 板，例如硅基板、绝缘体上硅基板、碳化硅基板、应变硅基板、硅锗基板、砷化镓基板以及其 他。自组装构造可以被用于加工在生产平板显示器中使用的基板，比如玻璃、硅以及塑料。
[0156] 取决于最终应用，通过例如自组装建造元件可以在任何尺寸的基板上实现。尺寸 可以在一个纳米颗粒的级别中（在小的纳米装置中）。在某些实施方案中，基板的尺寸范 围从具有小于1平方英寸的面积的小半导体基板至多达I 0英寸的用于生产电子部件的较