结构化柱电极制造技术

本发明专利技术描述一种包括分散在基底触点上的多个结构化柱的电极及其制造方法。在一个实施方式中，结构化柱是具有圆形横截面的柱状结构，并作为均匀隔开的二维阵列分散在基底表面上。优选地，结构化柱的高度、直径和间距是纳米级的，并且因此，将包括柱的电极识别为是纳米结构化柱电极。例如，可能通过使用标准光刻工艺沉积在表面模板中或者通过表面模板进行蚀刻来形成纳米结构化柱。当包含在光电装置（诸如光伏电池）中时，结构化柱电极提供许多优点。这些优点包括，通过载流子传送距离的减小和电极－光敏层界面的表面积的增加来提高电荷收集效率。这些改进有助于增加光伏装置的功率转换效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及结构化电极。具体地，本专利技术涉及具有分散在水平基底触点 (base contact)上的垂直对准的柱的电极。本专利技术还涉及这种结构化柱电极的制造及其在电子装置(诸如太阳能电池)中的使用。II.
技术介绍
光伏电池(photovoltaic cell，光生伏打电池)是一种能够将电磁辐射转换成电能的能量转换装置。当此过程包括太阳光直接转换成电时，通常将此装置叫做太阳能电池。 能量转换过程以光伏(PV)效应为基础，在此效应中，在活性层(active layer)上吸收入射光子产生电子空穴对。在引入内部或外部电场时，所产生的电荷载流子沿着传导路径在相反方向上迁移，以产生电流。已经用许多块状和薄膜形式的材料来制造具有功率转换效率(PCE)的PV电池，功率转换效率取决于材料的类型、其微观结构和PV电池的整体结构。 PV装置的科技已得到非常多的关注，是许多书籍、期刊和评论文章的主题，包括，例如，2005 年4月18日至4月21日召开的关于太阳能利用的基本能量科学研讨会上的报告，“Basic Research Needs for Solar Energy Utilization(太阳能利用的基本研究需求)”，其整体内容通过弓I证结合于本说明书中。已研究用作PV装置中的光敏介质的材料包括，例如，碲化镉(CdTe)、铜铟硒化物 (Cdr^e)、砷化镓(GaAs)和硅(Si)。在这些材料中，Si是最普通的，典型地用作块状单晶， 用作多晶材料，或薄膜形式。虽然现在市场上的大多数硅基PV电池由晶体硅技术制造，但是Si基薄膜PV电池提供一些优点，包括源材料的更有效的利用、下层衬底的保角覆盖的能力，以及比较低的制造成本。微晶和无定形Si薄膜PV电池的PCE已稳定地提高，最高报告的值在10%至20%的范围内。不管Si薄膜PV电池如何连续地发展，它们的材料和制造成本始终保持相对较高，使得基于Si的PV功率产生与传统的基于化石燃料的能源没有竞争力。影响因素包括对用于有效光吸收的大Si膜厚度200 μ m)的需求，以及它们的复杂且昂贵的(需要时间和能量)制造过程。这典型地包括，在一个或多个抽空处理室中连续地沉积多种材料。最近出现的一种引人注目的代替Si基PV装置的替代方式包括使用有机层作为活性介质。与Si基PV装置相比，有机PV电池使用更低成本的材料和更简单的基于溶液的制造技术。通常，用有机膜形成有机PV电池，有机膜由光敏聚合物或其他一些在相对的平面电极之间成层的小分子组成。然而，平面有机异质结通常不足以作为光敏层，因为所产生的束缚电子空穴对(即，激子)的扩散长度比光吸收长度小得多，束缚电子空穴对之后会离解成自由电荷载流子。已经通过使用给电子分子(η型)和受电子分子(P型)的混合层，来获得装置性能的改进。混合层典型地包括施主和受主材料的相分离的混合物，其叫做体异质结(bulk heterojunction，混合异质结)。实验结果表明，体异质结PV装置由于施主-受主界面的相互渗透性质而具有比平面装置更高的转换效率。Sitein等人的美国专利 No. 7，435，617和Yang等人的美国专利申请公开No. 2008/0012005提供了具有体异质结的光电装置及其制造方法的实例，这些专利整体内容通过弓I证结合于本说明书中。不管有机的体异质结PV的潜力如何，这些装置的最高PCE仅是3%至5%，不管更低的制造成本如何，对于商用应用来说，该值仍然过低。低PCE主要是归因于(1)有机半导体和相关的材料混合物的固有的低载流子迁移率(典型地，比等价的无机材料的迁移率低几个数量级)和( 有机半导体和入射太阳光谱之间的较差的吸收带重叠。最近克服这些局限性的尝试已经包括用无机纳米微粒代替有机半导体部件，以产生由有机-无机混合合成物组成的活性层。在Ginley等人的美国专利申请公开No. 2005/0061363中描述了一个实例，其整体内容通过引证结合于本说明书中。另一种方法包括使用具有与太阳光谱更好的吸收重叠的有机活性层部件。一个实例包括使用C7tl衍生物作为体异质结中的η型材料，如由 X. Wang 在 Advanced Functional Materials (高级功能材料)，15，1665 Q005) 的“Enhanced Photocurrent Spectral Response In Low-Bandgap Polyfluorene and C70-Derivative-Based Solar Cell (低带隙聚芴和基于C7tl衍生物的太阳能电池中的增强的光电流光谱响应)”中公开的，其整体内容通过引证结合于本说明书中。尽管使用这些方法实现了有机PV装置的改进，但有机半导体的低固有载流子迁移率和相当大的光吸收长度都会严重限制能够将正负电荷分离并传送至它们的相应电极以产生光电流的效率。有机半导体的激子扩散的小长度要求，所产生的激子位于异质结附近以通过避免重组而使其有效地离解成自由电荷载流子。在传统的双层装置结构中，此需求通常支持薄光敏层(即，可与5至IOnm的激子扩散长度相比的厚度)的使用，使得激子将有更大的可能性迁移至异质结区域、离解成自由载流子，并随后传送至它们的相应电极。 然而，更薄的光敏层意味着，考虑到有机活性层的光吸收长度通常是100至200nm，而激子扩散长度典型地是5至IOnm的等级，所以入射光子被完全吸收的可能性将更小。
技术实现思路
已经认识到以上和其他考虑，专利技术人确定，存在开发一些这样的结构的持续需求 这些结构解决与光伏装置中的电荷产生和传送相关的低效问题。具体地，需要光伏装置具有比目前已经实现的功率转换效率显著更高的效率。鉴于上述问题、需求和目标，本专利技术的一些实施方式提供一种具有形成于其表面上的结构化柱的电极及其制造方法。这些柱是基本上柱状的结构，具有预定高度、横截面形状和在电极表面上的空间布置。当在电极表面上分布时，这些结构化柱看起来与延伸至光敏材料中的手指相似。当结构化柱电极包含在光伏装置中时，它们是特别有利的，因为它们的增加的电极表面面积和柱接近于可能产生自由电荷载流子的位置可以促进电荷载流子的更有效的收集。根据设计需求，光伏装置内的一个或多个电极可能包括结构化柱。优选地，整体的电极结构包括导电材料的平面基底，在其表面上分散有结构化柱。在一个实施方式中，这些结构化柱的长度、横截面直径和形状是大致相等的，并以二维阵列的形式彼此等距地隔开。结构化柱优选地垂直于基底的平面，具有柱状形状和圆形横截面。柱的长度与直径的比例优选地大于0.5，使得它们基本上是柱状的。然而，不因此而限制柱的尺寸分布、形状和间隔。也可能使用不均勻的形状分布和不规则的间隔。横截面可能是椭圆形的、正方形的、矩形的、五角形的、六角形的、八角形的，或任何本领域中众所周知的形状。每个柱的横截面直径优选地是1至lOOnm，从而认为它们是纳米结构化柱。在一个优选实施方式中，横截面直径在20至30nm之间。在又一实施方式中，横截面直径是光敏层的厚度的10%至20%。结构化柱的总长度优选地小于或等于光敏层的厚度的一半。在一个优选实施方式中，结构化柱的长度在20至IOOnm之间。各个结构化柱之间的间距的范围优选地从大于20nm到小于或等于500nm。本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种光电装置，包括：光敏层，具有异质结；以及至少一个电极，所述电极包括导电基底和延伸至所述光敏层中的多个导电柱，所述柱分散在所述基底的表面上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：南昌溶，
申请(专利权)人：布鲁克哈文科学协会，
类型：发明
国别省市：US