专利名称：：效率增强的太阳能电池的制作方法
技术领域：
：本发明一般性地涉及太阳能电池。更特别地，本公开内容涉及效率增强的太阳能电池及其制造方法。
背景技术：
：已经开发出多种多样用以将光转化为电的太阳能电池。已知的太阳能电池中，每种都具有一定的优点和缺点。持续需要提供备选的效率增强的太阳能电池，以及制造太阳能电池的方法。
发明内容本公开内容一般性地涉及效率增强的太阳能电池及制造太阳能电池的方法。示例性的太阳能电池可包括基材(substrate)。可相对于基材连接纳米柱阵列(nano-pillararray)。在某些情况下，基材或一些插入层(interveninglayer)(如果存在的话)可充当太阳能电池的第一电极。在纳米柱阵列上可设置活性层。该活性层可包括聚合物，但并不要求如此。在某些情形，该活性层可包括光活性材料和电子导体材料的互连网络(interconnectednetwork)，例如聚3-己基噻吩(P3HT)和[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的互连网络。第二电极可电连接于活性层。另一示例性太阳能电池可包括基材，其中相对于基材连接印迹层(imprintedlayer)。在一些情形，第一电极插入到基材和印迹层之间，但并不要求如此，例如当基材充当第一电极时。该印迹层可适用于接收来自太阳能电池的活性层的激子。在一些情形，该印迹层可包括聚酰亚胺、聚(3，4_亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(poly(3,4-ethylenedioxy-thiophene)poly(styrenesulfonate))(PED0TPSS)，或任何其它合适的材料。在一些情形，该印迹层可以被纳米柱阵列(nano-pillararray)进行纳米压印(nano-imprinted)，但是也设想了其它的图案。可在该印迹层上设置活性层，并且在一些情形，活性层可以插入到纳米柱阵列的柱之间。第二电极可电连接于该活性层。制造太阳能电池的示例性方法可包括提供包括可压印层(imprintablelayer)的基材。在一些情形，第一电极层可以插入到基材和可压印层之间，但并不是所有的实施方案都需要这样。该可压印层可适用于接收来自太阳能电池的活性层的激子。在一些情形，该可压印层可包括例如聚酰亚胺、聚(3，4_亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PED0T:PSS)，或任何其它合适的材料。可提供包括适合于压印的限定图案的印模。在一些情形下，图案可包括纳米坑阵列(arrayofnano-pits)。印模可用于在可压印层上压印，以限定出在可压印层中的图案，例如纳米柱阵列图案。在印迹层上可设置活性层，并且在一些情形下所述活性层可插入到纳米柱阵列的柱之间。该活性层可包括聚合物，但并不要求如此。在一些情形，该活性层可包括光活性材料和电子导体材料的互连网络，例如聚3-己基噻吩(P3HT)和[6，6]_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的互连网络。第二电极可提供在活性层上。以上概述并不意在描述本发明的每个公开的实施方案或全部实施形式。下面的附图和说明书更具体地阐述了某些示例性实施方案。联系附图，考虑到下面本发明各个实施方案的详细说明可以更加全面地理解本发明，其中图1是示例性太阳能电池的示意性侧视剖面图。尽管本发明可以改变成各种变形和替换形式，通过以附图中举例的方式示出了这些形式的具体细节，并将进行详细描述。但是，应该理解的是，并不打算将本发明限制到所述的特定实施方案。相反，本发明意在覆盖落入本发明精神和范围之内的所有变形、等价方案和替换方案。具体实施例方式对于下面所定义的术语而言，这些定义将适用，除非在权利要求书或者本说明书的其它地方给出了不同的定义。无论是否进行了明确的指出，本发明中的所有数值都假定用术语“大约”进行修饰。该术语“大约”通常是指本领域技术人员会认为与所叙述的数等效的数值范围(例如，具有相同的功能或效果)。在很多例子中，该术语“大约”可包括在最接近的重要数字周围的数。通过端点描述的数值范围包括在该范围内的所有数值(例如，1到5包括1，1.5，2,2.75,3,3.80,4,以及5)。在本说明书以及所附的权利要求书中所使用的单数形式“a”，“an”，和“the”，包括复数的所指示物，除非所述内容以其它方式明确指出。本说明书以及所附的权利要求书中所使用的术语“或”通常被以其包括了“和/或”的意义来使用，除非所述内容以其它方式明确指出。下面描述应当参照附图来理解。附图(其不必按照比例绘制)描述了示例性的实施方案，并不意在对本发明的范围进行限制。已经开发出多种多样太阳能电池(也还被已知为光伏电池(photovoltaics)和/或光电池(photovoltaiccell))以用于将太阳光转化成电。一些示例太阳能电池包括晶体硅层。第二和第三代太阳能电池经常利用以沉积或者其它方式提供在基材上的光伏材料薄膜(例如“薄”的膜层)。这些太阳能电池可以根据所沉积的光伏材料进行分类。例如，无机薄膜光伏电池可包括非晶硅、微晶硅、CdS、CdTe,Cu2S、二硒化铜铟(CIS)、二硒化铜铟镓(CIGS)等的薄膜。有机薄膜光伏电池可包括一种或多种聚合物、体异质结(bulkheterojunction)、有序异质结(orderedheterojunction)、富勒烯、聚合物/富勒烯共混物、光合材料等的薄膜。这些仅仅是一些例子。效率在光伏电池的设计和生产中能具有重要的意义。可能与效率相关的一个因素是活性层的厚度。较厚的活性层通常能吸收更多的光。这可以合意地提高电池的效率。然而，较厚的活性层常常因为具有更高的内电阻和/或增加的重组损失更多的电荷，这降低了效率。较薄的活性层可以具有更小的内电阻和/或更少的重组，但是通常没有较厚的活性层吸收光的效率高。本发明公开的太阳能电池设计为通过例如在增加活性层吸光能力的同时减少其内电阻和/或重组，而具有更高的效率。本发明所公开的制造光伏电池和/或光电池的方法旨在以更低的成本生产更高效率的光伏电池。本发明公开的至少一些太阳能电池使用了包括一种或多种聚合物的活性层。例如，本发明公开的至少一些太阳能电池包括活性层，该活性层包括使用导电聚合物的体异质结(BHJ)。包括基于导电聚合物的BHJ的太阳能电池可能处于多个原因而是合意的。例如，生产基于导电聚合物的BHJ的成本可能低于生产其它类型太阳能电池的活性层的成本。这可能是由于与生产这样的BHJ(例如聚合物)太阳能电池的材料的更低的成本，也可能是由于可能使用了辊到辊和/或其它的高效制造技术。图1是太阳能电池10的示意性侧视剖面图。在该示例性实施方案中，太阳能电池10包括基材12，其中第一电极(例如阴极或正极)16相对于基材12而连接或者以其它方式设置在基材12上。材料层18可电连接于电极16或以其它方式设置在电极16上。材料层18可由适于接收来自太阳能电池10的活性层20的激子的材料形成。该材料层18可包括结构化图案或阵列(例如纳米柱阵列18)的形状，或可被成形以得到结构化图案或阵列(例如纳米柱阵列18)的形状。活性层20可连接于层18，或以其它方式设置在层18之上并“填充”于层18中的结构化图案或阵列中。太阳能电池10也可包括电连接于活性层20的第二电极22(例如阳极或负极)。基材12(当提供时)可由包括聚合物、玻璃和/或透明材料的多种不同的材料制成。在一实施例中，基材12可包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、低铁玻璃或任何其它合适的材料，或者合适材料的组合。该第一电极16可包括氟掺杂的氧化锡，氧化铟锡，铝掺杂的氧化锌，任何其它合适的无机导电元素或化合物、导电聚合物，以及其它导电材料，或者任何其它合适的材料。在一些情形，第一电极16可被视为基材。在一些实施方案中，太阳能电池10可以没有基材12，并且按需要，可以靠另一种结构来形成基层以替代基材12。层18可以为可压印层。在一实施例中，层18可包括适于在层18中压印图案的材料，例如聚合物。当使用聚合物时，按需要，设想到多种不同的聚合物可能是合适的，包括例如聚酰亚胺，聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PED0T:PSS)，或任何其它合适的聚合物或聚合物的组合。在一些情形，层18可相对活性层20具有适用于接收来自活性层20的激子(例如空穴)的能带隙(energybandgap)。在一些情形，层18可以是用纳米柱阵列进行纳米压印的。在示例性实施方案中，活性层20可包括一种或多种聚合物或聚合物层。在一实施例中，活性层20可包括电子供体聚合物和电子受体聚合物的互穿网络(interpenetratingnetwork)。在至少一些实施方案中，活性层20可包括聚3-己基噻吩(P3HT)和[6，6]_苯基-丁酸甲酯(PCBM)的互穿网络。按需要，设想到可以使用其它的材料。P3HT是光活性聚合物。因此，该P3HT材料可吸收光并产生电子-空穴对(激子)。尽管不受理论的束缚，认为光被活性层20所吸收，从而产生扩散到活性层20内部的邻近P3HT/PCBM界面的激子。这些电子接着可被注入到PCBM中，该PCBM相对于P3HT可具有能带隙，从而容易地接收来自P3HT材料的电子。这些电子接着可沿着PCBM链而被传输到第二电极22。这些空穴可在PH3T内部被传输到例如层18中的纳米柱阵列的邻近柱，并最终到达第一电极16。如以上所指出的，层18相对于活性层20可具有适合于接收来自活性层20的激子(例如空穴)的能带隙。活性层的厚度能够对太阳能电池的效率具有显著的影响。层18中的图案可减小活性层20的有效厚度，这可以增加太阳能电池的效率。正如上面所指出的，同时不限于此，层18中的图案可以为包括多个纳米柱或向上延伸的凸起24的纳米柱阵列。在示例性实施方案中纳米柱24可具有大约40-60nm，或大约50nm左右的宽度，并具有10-80nm，或大约25nm左右的间距。在一些实施方案中，纳米柱24可具有所示的基本上正方形形状，因此在垂直方向上的宽度是一致的。在其它的实施方案中，纳米柱24的形状可以为圆柱形，故可以在所有的方向上具有一致的宽度。然而，按需要，设想到该纳米柱可以具有包括蜂巢形、星形、或任何其它形状的任何合适的形状。纳米柱24可被配置为与毗邻的纳米柱24间隔开，以在它们之间形成井(well)或沟槽(channel)。在一些情形，纳米柱24的高度相对于它们的宽度可以产生相对大的纵横比，但并不要求如此。例如，纳米柱24的高度可以为大约200-400nm，或大约250nm，这会产生大约51或者更高的纵横比。设想到活性层20可被提供于纳米柱24之间的井或沟槽中，如上所示。也就是说，活性层20可填充纳米柱24的森林。在一些情形，该活性层20可旋涂到纳米柱24上以帮助填充所述井和沟槽。通常，可配置毗邻纳米柱24之间的距离以提高太阳能电池10的效率。例如，B比邻纳米柱24之间的距离可被设为大约IO-SOnm或者更小，或者设为大约25nm或者更小。例如，借助间隔25nm的正方形纳米柱24的图案，激子要到达毗邻的纳米柱24必须在活性层中移动的最远距离为大约35nm。该移动距离可被定义为最坏情形下活性层20的“有效”厚度。注意，在这个示例性实施方案中，许多激子(例如空穴)可横向地移动穿过活性层到达毗邻的纳米柱24，而不是垂直地向下到层18。作为比较，利用BHJ的典型太阳能电池可具有厚度大约为100-200nm的平面活性层。当这样提供时，最坏情形下这样活性层的“有效”厚度可以为100-200nm。正如可以看出的，太阳能电池10中的活性层20的有效厚度可明显地减小，这将通过减小活性层20内部的内电阻和/或重组，可以有助于增加太阳能电池10的效率。虽然纳米柱24在图1中示出，但是设想到也可以使用其它的排列或图案。通常，按需要，层18中图案的结构排列可被配置为，相对于简单的平面表面，产生具有减少的有效厚度的活性层20，并且可包括一个或多个凸起和/或印痕(impression)，被纹理化、具有表面特征和/或其它不规则性，或具有其它非平面特征。还应该注意层18中的图案可在太阳能电池10的活性层20中产生光散射。由于这种光散射，更多的光(光子)可被活性层20吸收。为了有助于增加活性层20中的光散射以及相应的光吸收，设想层18中图案的高度相对于图案化要素的宽度可产生相对大的纵横比(例如21,51,101或者更大)。如上面所述，纳米柱24的纵横比可以为大约51，但这仅仅是一个实例。制造太阳能10的示例性方法可包括提供基材12，该基材12包括将被压印有图案的层18。在一些情形，可在基材12和层18之间提供第一电极层16(例如ΙΤ0)。在任何情况下，图案都可被压印或以其它方式形成在层18中。备选地，层18可被压印并随后连接到基材12或第一电极层16。在一些情形，可以不用基材12。在层18中形成图案可以包括多种不同方法中的任何一种，包括，例如热压凸(hotembossing)、软平版印刷(softlithography)、微接角虫压(micro—contactimprinting)、紫夕卜线平版压(ultravioletlithographicalimprinting)等，或者按需要利用任何其它合适的方法。在一个非限定性实施例中，可利用合适的技术例如e_射线平版印刷法，形成具有纳米柱(例如大约50nm宽和大约250nm高)阵列的硅晶片。印模可通过在晶片上流延(例如旋涂)印模材料(例如聚二甲基硅氧烷)并固化该材料以形成具有纳米坑阵列的印模(例如在晶片上形成纳米柱24的镜像或倒相的凹陷)。层18可以旋涂到基材12或者第一电极16上以具有合适的厚度(例如大约300nm)。该印模接着可用于印迹层18以形成纳米柱24阵列。活性层20可用任何适合的方法设置在图案层18上。在一个实施例中，活性层20的材料(例如P3HT/PCBM)可在合适的溶剂中混合并旋涂到图案层18上。该旋涂工艺可有助于分散活性层20使其遍及层18上的图案，例如填充在纳米柱24之间的空间中。第二电极22可以用任何合适的方法例如e-射线蒸发法或溅射法提供在活性层20上，该第二电极22可以为铝或任何其它合适的材料。对于各种应用，包括使用了大量的太阳能电池10或者太阳能电池10的片的应用，该方法可容易地按比例放大，这可使得制造太阳能电池像太阳能电池10更加成本有效化。应该理解，在很多方面，本公开内容仅仅是作为例证的。可以在细节上进行改动，特别是就形状、尺寸和步骤的排列而言进行改动，而不超出本发明的范围。本发明的范围当然是用所附的权利要求书所表达的语言进行限定的。权利要求太阳能电池(10)，包括基材(12)；连接于该基材(12)的纳米柱阵列(18)；设置在该纳米柱阵列(18)上的活性层(20)，该活性层(20)包括聚合物；以及电连接于该活性层(20)的电极(16)。2.如权利要求1所述的太阳能电池(10)，其中所述纳米柱阵列(18)包括聚(3，4_亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)。3.如权利要求1-2中任一项所述的太阳能电池(10)，其中所述活性层(20)包括聚3-己基噻吩和[6，6]_苯基-C61-丁酸甲酯的互连网络。4.太阳能电池(10)，包括:基材(12)；相对于基材(12)而固定的印迹层(18)，该印迹层(18)包括聚(3，4_亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)；设置在该印迹层(18)上的活性层(20)；以及电连接于该活性层(20)的电极(16)。5.如权利要求4所述的太阳能电池(10)，其中所述基材(12)包括玻璃、氧化铟锡玻璃、氟掺杂的氧化锡玻璃、铝掺杂的氧化锌玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氧化铟锡覆盖的聚对苯二甲酸乙二醇酯、氟掺杂的氧化锡覆盖的聚对苯二甲酸乙二醇酯、铝掺杂的氧化锌覆盖的聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、氧化铟锡覆盖的聚酰亚胺、氟掺杂的氧化锡覆盖的聚酰亚胺以及铝掺杂的氧化锌覆盖的聚酰亚胺中的一种或多种。6.如权利要求4-5中任一项所述的太阳能电池(10)，其中所述活性层(20)包括聚合物。7.如权利要求4-6中任一项所述的太阳能电池(10)，其中所述活性层(20)包括聚-3-己基噻吩和[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯的互连网络。8.如权利要求4-7中任一项所述的太阳能电池(10)，其中所述印迹层(18)包括压印在其上的多个纳米柱(24)。9.如权利要求8所述的太阳能电池(10)，其中毗邻的纳米柱(24)之间的最大间隔大约为50纳米或更小。10.用于制造太阳能电池(10)的方法，该方法包括提供聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)的层(18)；提供包括纳米坑阵列的印模；压印聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)的层(18)以在该聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)层的(18)中限定出多个纳米柱(24)；以及用包括光活性材料(18)的活性聚合物层(18)涂覆所述纳米柱阵列(18)。全文摘要本发明涉及效率增强的太阳能电池。具体地，公开了太阳能电池(10)以及制造太阳能电池(10)的方法。一种示例性太阳能电池(10)可包括基材(12)，其在某些情形下可充当电极(16)，相对于基材(12)连接的纳米柱阵列(18)，在纳米柱阵列(18)上提供的活性层(20)，和电连接于活性层(20)的电极(16)。在一些情形，活性层(20)可包括光活性聚合物。文档编号H01L51/42GK101950792SQ20101022547公开日2011年1月19日申请日期2010年5月18日优先权日2009年5月19日发明者L·赵,M·王,郑直申请人:霍尼韦尔国际公司