纳米结构化材料和包括纳米结构化材料的光电装置制造方法及图纸

本发明专利技术描述了纳米结构化材料和包括纳米结构化材料的光电装置。在一个实施方案中，纳米结构化材料包括：（ａ）由第一组纳米颗粒形成的第一纳米网状结构；和（ｂ）与第一纳米网状结构连接和由第二组纳米颗粒形成的第二纳米网状结构。第一组纳米颗粒和第二组纳米颗粒中的至少一组由间接带隙材料形成。纳米结构化材料构造成吸收入射光以生成被传输至第一电极的第一类型电荷载体和被传输至第二电极的第二类型电荷载体。纳米结构化材料在约４００ｎｍ至约７００ｎｍ波长范围内具有至少１０↑［３］ｃｍ↑［－１］的吸收系数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米结构化材料和包括纳米结构化材料的光电装置 相关申请的交叉引用该申请要求2004年6月18日递交的U. S.临时申请系列 No. 60/580， 816的权益，其公开内容在此作为参考完全并入本专利技术。 本专利技术的领域本专利技术一般涉及纳米结构化材料。更尤其，本专利技术涉及纳米结构化 材料和包括纳米结构化材料的光电装置。 本专利技术的背景光电装置可用于从光能，如从日光或热源得到电能。目前的光电装 置包括基于结晶或无定形半导体材料的p-n结设备，基于结晶或无定形 半导体材料的杂质结设备，金属/半导体Schottky杂质结设备，和基于 金属，半导体材料，和电解质溶液的组合的设备。在目前的光电装置的 操作过程中，光被光活性材料吸收以生成电子-空穴对或激子形式的电 荷载体。电子通过一种电极离开光活性材料，而空穴通过另一电极离开 光活性材料。净作用是电流流过由入射光能驱动的光电装置，所述电流 可被传输至外部负荷以发挥有用的作用。如果不能将总入射光能转化 成有用的电能，那么表示光电装置的损失或低效。目前的光电装置通常对有效地将入射光能转化成有用的电能的能 力有许多技术限制。目前的光电装置的显著损失机理通常源自入射光 谱，如日光光镨，和光电装置的吸收光谱之间的不匹配。能量大于光活 性材料的带隙能量或能隙的光子通常导致产生具有过多能量的光激发 电子-空穴对。这些过多能量通常不被转化成电能，而是通常作为热通 过热电荷载体松弛或热化而损失。能量低于光活性材料的带隙能量的 光子通常不被吸收和，因此，通常对转化成电能没有贡献。结果，小范围 的入射光i瞽可被有效地转化成有用的电能。另夕卜，按照目前的光电装置的结设计，电子-空穴对的电荷分离通常被局限于消耗区周围的区域，所述消耗区在范围上可被限制在例如 光活性材料中的一个平面。在比消耗区的扩散或漂移长度更远处产生 的电子-空穴对通常不电荷分离，和因此通常对转化成电能没有贡献。 结果，在光活性材料中产生的大多数电子-空穴对通常对电流没有贡 献。目前的光电装置的另一损失机理通常源自光激发电子-空穴对的 复合。光激发电子-空穴对的复合减少对电流贡献的电荷载体的数目， 因此减少转化效率。因为短再结合时间和存在可用作复合位或捕获位 的缺陷，目前的光电装置可有时具有非所需水平的光激发电子-空穴对 的复合。因为目前的光电装置通常依赖于少数电荷载体传输，可能需要 严格的制造条件以减少电荷栽体复合的影响。目前的光电装置的另一损失机理通常源自电阻损失，如串并联电 阻。因为电荷载体横穿光活性材料，电荷载体通常遇到电阻，导致电阻 损失。其它的电阻损失可源自在分离光激发电荷载体的消耗区和在电 极和光活性材料之间的触点处的电阻。在这种背景下，需要开发本文所述的纳米结构化材料和光电装置。 本专利技术的综述一方面，本专利技术涉及纳米结构化材料。在一个实施方案中，纳米结构化材料包括(a)由第一组纳米颗粒形成的第一纳米网状结构；和(b) 与第一纳米网状结构连接和由第二组纳米颗粒形成的第二纳米网状结 构。第 一组纳米颗粒和第二组纳米颗粒中的至少一组由间接带隙材料 形成。纳米结构化材料构造成吸收光以生成在第一纳米网状结构中传 输的第一类型电荷载体和在第二纳米网状结构中传输的第二类型电荷 载体。纳米结构化材料在波长约400 nm至约700 nm的范围内具有至少 103 cm^的吸收系数。在另一实施方案中，纳米结构化材料包括(a)第一纳米网状结构， 包括一组至少被熔合或相互连接以提供第一类型电荷载体的传输的Si 纳米颗粒；和(b)连接至第一纳米网状结构上和包括一组Ge纳米颗粒的 第二纳米网状结构，所述颗粒至少被熔合或相互连接以提供第二类型电荷载体的传输。另一方面，本专利技术涉及光电装置。在一个实施方案中，光电装置包括(a)第一电极；(b)第二电极；和(c)位于第一电极和第二电极之间的 纳米结构化材料。纳米结构化材料构造成吸收入射光以生成被传输至 第一电极的第一类型电荷载体和被传输至第二电极的第二类型电荷载 体。纳米结构化材料包括一组构造成提供通过至少一部分纳米结构化 材料的传导路径的纳米颗粒，和一组由间接带隙材料形成的纳米颗粒。 如果光电装置用入射光照射，光电装置提供大于20 mA/cn^的短路电流 密度。本专利技术其它方面和实施方案也可考虑。以上综述和以下详细描述 不意味着将本专利技术局限于任何特殊实施方案，而是仅意味着描述本发 明的一些实施方案。附图的简要描述为了更好地理解本专利技术各种实施方案的性质和目的，应该结合附 图参考以下详细描述。图l说明根据本专利技术一个实施方案的纳米结构化材料，包括两个互 相贯穿的纳米网状结构。图2A，图2B，和图2C说明根据本专利技术一个实施方案可发生在形成两 个纳米网状结构的纳米颗粒之间的不同类型带偏移。图3说明根据本专利技术一个实施方案的光致发光衰减速率作为光致 发光能量的函数的图。图4说明日光光谱和根据本专利技术一个实施方案形成的本体Si，本体 Ge，和Ge纳米颗粒对该日光光i普的吸收。图5说明可在根据本专利技术一个实施方案形成的Si纳米颗粒和Ge纳 米颗粒之间发生的带偏移。图6说明可在根据本专利技术一个实施方案形成的Ti02纳米颗粒，Si纳 米颗粒，和Ge纳米颗粒之间发生的带偏移。图7说明根据本专利技术一个实施方案通过将纳米颗粒作为溶质分散 在基质中而形成的纳米结构化材料。9图8说明根据本专利技术一个实施方案的光电装置。详细描述定义以下定义适用于本专利技术一些实施方案所述的一些元件。这些定义 同样可扩展用于本文。本文所用的术语组是指一个或多个元件的集合。 一组元件也可 称作该组的成员。 一组元件可相同或不同。在某些情况下，一组的元件 可共有一种或多种共同性能。本文所用的术语可有可无的或视需要是指，随后描述的事件 或情形可发生或不发生，和描述包括其中该事件出现的情形和其中不 发生该事件的情形。例如，词语视需要被壳包围是指，壳可存在或不 存在且该说明包括存在和不存在壳这两种情况。本文所用的术语光致发光是指，已被第二波长(或第二波长范围) 的光照射的材料发出第一波长(或第一波长范围)的光。第一波长(或第 一波长范围)和第二波长(或第二波长范围)可相同或不同。本文所用的术语光致发光量子效率是指材料所发出的光子的数 目与该材料所吸收的光子的数目的比率。本文所用的术语最高占有分子轨道或HOMO是指材料所具有的最高能量电子态，与电子态的数目或密度无关和与带结构的存在无关。 本文所用的术语最低未占有分子轨道或LUM0是指材料所具有 的最低能量电子态，与电子态的数目或密度无关和与带结构的存在无 关。本文所用的术语缺陷是指晶体堆积差错，陷阱，空位，插入物，或 杂质，如原子或分子掺杂剂。本文所用的术语单层是指材料的单个完整涂层，在该完整涂层 之外没有加入附加材料。本文所用的术语光活性材料是指可用于由光能得到电能的材 料。尽管该术语在本专利技术某些实施方案中常用于表示纳米结构化材料， 该术语也可用于表示其它光活性材料，如常规光活性材料。本文所用的术语吸收系数和振子强度是指单位长度的材料所 吸收的光的量，如单位厚度的材料所吸收的光的量。本文所用的术语电荷载体再结合时间是指电荷载体在复合之前 保持分离的时间量。在光活性材料的情况下，电荷载体再结合时间可以 是光激发电子-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米结构化材料，包括：　（ａ）由多个第一纳米颗粒形成的第一纳米网状结构；和　（ｂ）连接至所述第一纳米网状结构上和由多个第二纳米颗粒形成的第二纳米网状结构，所述多个第一纳米颗粒和所述多个第二纳米颗粒中的至少一种由间接带隙材料形成，　所述纳米结构化材料构造成吸收光以生成在所述第一纳米网状结构中传输的第一类型电荷载体和在所述第二纳米网状结构中传输的第二类型电荷载体，所述纳米结构化材料具有在约４００ｎｍ至约７００ｎｍ波长范围内至少１０↑［３］ｃｍ↑［－１］的吸收系数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-6-18 60/580,8161. 一种纳米结构化材料，包括(a)由多个第一纳米颗粒形成的第一纳米网状结构；和(b)连接至所述第一纳米网状结构上和由多个第二纳米颗粒形成的第二纳米网状结构，所述多个第一纳米颗粒和所述多个第二纳米颗粒中的至少一种由间接带隙材料形成，所述纳米结构化材料构造成吸收光以生成在所述第一纳米网状结构中传输的第一类型电荷载体和在所述第二纳米网状结构中传输的第二类型电荷载体，所述纳米结构化材料具有在约400nm至约700nm波长范围内至少103cm-1的吸收系数。2. 权利要求l的纳米结构化材料，其中所述多个第一纳米颗粒至少 被熔合或相互连接以提供使所述第一类型电荷载体通过至少一部分所 述第一纳米网状结构的邻接传导路径。3. 权利要求2的纳米结构化材料，其中所述多个第二纳米颗粒至少 被熔合或相互连接以提供使所述第二类型电荷载体通过至少一部分所 述第二纳米网状结构的邻接传导路径。4. 权利要求1的纳米结构化材料，其中所述间接带隙材料选自IV族 半导体材料和IV-IV族半导体材料。5. 权利要求1的纳米结构化材料，其中所述多个第一纳米颗粒包括 多个Si量子点，和所述多个第二纳米颗粒包括多个Ge量子点。6. 权利要求5的纳米结构化材料，其中所述多个Si量子点和所述多 个Ge量子点是基本上无缺陷的。7. 权利要求6的纳米结构化材料，其中所述多个Si量子点是基本上 无缺陷的，使得所述多个Si量子点中的每1000个存在低于l个缺陷。8. 权利要求6的纳米结构化材料，其中所述多个Ge量子点是基本上 无缺陷的，使得所述多个Ge量子点中的每1000个存在低于l个缺陷。9. 权利要求5的纳米结构化材料，其中所述多个Si量子点具有峰尺 寸约l nm至约20 nm，和所述多个Ge量子点具有峰尺寸约l nm至约50 nm。10. 权利要求l的纳米结构化材料，其中所述第一类型电荷载体对应于电子，和所述第二类型电荷载体对应于空穴。11. 权利要求l的纳米结构化材料，其中所述第一类型电荷载体和所 述第二类型电荷载体在所述第一纳米网状结构和所述第二纳米网状结构之间的边界上分离。12. 权利要求1的纳米结构化材料，其中所述吸收系数是至少104cnf1。13. 权利要求12的纳米结构化材料，其中所述吸收系数是至少105cm一1。14. 权利要求1的纳米结构化材料，其中所述納米结构化材料具有至 少l ns的电荷载体再结合时间。15. 权利要求14的纳米结构化材料，其中所述电荷载体再结合时间 是至少IO ns。16. 权利要求15的纳米结构化材料，其中所述电荷载体再结合时间 是至少IOO ns。17. —种纳米结构化材料，包含(a) 第一纳米网状结构，包括被至少熔合或相互连接以提供第一类 型电荷载体的传输的多个Si纳米颗粒；和(b) 连接至所述第一纳米网状结构上和包括多个Ge纳米颗粒的第二 纳米网状结构，所述纳米颗粒被至少熔合或相互连接以提供第二类型电 荷载体的传输。18. 权利要求17的纳米结构化材料，其中所述多个Si纳米颗粒被熔 合以提供使所述第一类型电荷载体通过至少一部分所述第一纳米网状 结构的邻接传导路径，和所述多个Ge纳米颗粒被熔合以提供使所述笫二 类型电荷载体通过至少一部分所述第二纳米网状结构的邻接传导路径。19. 权利要求17的纳米结构化材料，其中所述多个Si纳米颗粒被相 互连接以提供使所述第一类型电荷栽体通过至少一部分所述第一纳米 网状结构的邻接传导路径，和所述多个Ge纳米颗粒被相互连接以提供使 所述第二类型电荷载体通过至少一部分所述第二纳米网状结构的邻接传导路径。20. 权利要求19的纳米结构化材料，其中所述第一纳米网状结构包 括相互连接所述多个Si纳米颗粒的多个第一分子物质，和所述第二纳米 网状结构包括相互连接所述多个Ge纳米颗粒的多个第二分子物质。21. 权利要求20的纳米结构化材料，其中所述多个第一分子物质和 所述多个第二分子物质独立地选自电荷转移分子物质，给体/受体分子 物质，和共轭分子物质。22. 权利要求17的纳米结构化材料，其中所述多个Si纳米颗粒是基 本...

【专利技术属性】
技术研发人员：HWH李，
申请(专利权)人：超点公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]