设计纳米结构光电子器件的主体以改善性能 |
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| 申请号 | CN200980120567.X | 申请日 | 2009-04-03 | 公开(公告)号 | CN102057491A | 公开(公告)日 | 2011-05-11 |
| 申请人 | 班德加普工程有限公司; | 发明人 | M.R.布莱克; B.A.布蔡恩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种纳米结构光 电子 器件，其包括 纳米结构材料 和与纳米结构材料混合的 主体材料 。该主体材料可以具有比纳米结构材料高的折射率。可以将主体材料折射率选择为使器件的有效活性面积最大化。在替换 实施例 中，主体材料包括吸收光并以不同的 能量 重发射光的散射中心或吸收/发光中心，或者同时包括这两者。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种纳米结构光电子器件，包括纳米结构材料和与纳米结构材料混合的主体材料，其中，所述器件具有有效活性面积，其中，所述主体材料具有使作为主体材料的折射率的函数的器件的有效活性面积近似最大化的折射率。 |
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| 说明书全文 | 设计纳米结构光电子器件的主体以改善性能技术领域背景技术[0003] 纳米结构的性质不同于体材料的性质。因此，当设计光电子材料时，常常期望使用纳米结构材料（纳米点、纳米线或纳米阱）以使性能优化。然而，具有纳米材料的宏观设备固有地由多于一种材料构成。因此，如果这些材料中的仅一种对器件操作有用，则器件的有效或有用体积小于器件的实际体积，因为非活性材料也占用体积。 [0004] 光和电磁场以取决于材料的复折射率的方式穿过材料。人们已调整活性材料附近的周围非活性材料，以便增加活性材料中的光的吸收。例如，可以将入射介质的折射率选择为相对于试验品而言是大的，由此增加试验品中的光学吸收。（T. Lummerstorfer等人, Analytical and Bioanalytical Chemistry, vol. 388, pp. 55-64 (2007).）。 发明内容[0005] 提供了一种纳米结构光电子器件，包括纳米结构材料和与纳米结构材料混合的主体（host）材料。该主体材料可以具有比纳米结构材料高的折射率。可以将主体材料折射率选择为使器件的有效活性面积最大化。在替换实施例中，主体材料包括吸收光并以不同的能量重发射光的散射中心或吸收/发光中心，或者同时包括这两者。 [0006] 本文所述的实施例与现有技术构思的不同之处在于其描述了如何能够使用作为纳米材料之间的非活性材料的主体材料来改善光电子器件的效率。通常，主体的目的仅仅是将纳米颗粒电隔离以便考虑到材料的电学和光学性质的期望变化。在某些情况下，主体还提供结构支撑。我们描述了使用主体材料来在性能方面辅助活性材料。 [0007] 本申请列出其中主体材料可以改善光电子性能的四种示例设计。这些设计使光注入（funnel）到活性区中。第一种方法通过具有非活性材料相对于活性材料的大的折射率来实现这一点。因此，其利用纳米材料中固有的均质性缺乏以与体积百分比不成比例的量将光注入到活性区中。第二种方法引入散射中心。第三种方法引入吸收/发光中心。第四种把金属颗粒或薄膜与耦合到活性区中的等离子体激元一起使用。四种方法都增加在活性纳米结构中吸收的光。附图说明 [0008] 图1示出入射材料的大折射率如何增加试验品内部的吸收。 [0009] 图2示意性地描绘模板内部的微米/纳米线阵列，其中模板不具有期望的光学性质。 [0011] 图4用图表示由具有折射率1.975+8i和2.77的两个组分构成的复合材料的折射率的虚部。x轴是f，即由具有等于1.975+8i的折射率的材料构成的复合物的百分比。 [0012] 图5描绘复合物（主体材料加活性材料）的光学吸收与主体材料的折射率（主体的光学吸收被设置为零）的关系曲线。活性材料具有1.974846 + 8.004051i的复折射率。 [0013] 图6描绘主体材料包括散射中心和/或发光中心的本发明的复合物。 具体实施方式[0014] 在详细地描述本发明之前，应理解的是本发明不限于特定溶剂、材料、或器件结构，因为这些可以改变。还应理解的是本文所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，并且并不意图是限制性的。 [0015] 本说明书和所附权利要求所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”包括单数和复数对象两者，除非上下文另外清楚地指明。因此，例如，对“一个纳米线”的引用包括多个纳米线以及单个纳米线，对“一个温度”的引用包括多个温度以及单个温度等等。 [0016] 在提供值的范围的情况下，意图在于在本公开内涵盖该范围的上限与下限之间的每个中间值和该所述范围中的任何其它所述或中间值。例如，如果叙述1 μm至8 μm的范围，则意图在于还公开了2 μm、3 μm、4 μm、5 μm、6 μm、7 μm，以及大于或等于1 μm的值的范围和小于或等于8 μm的值的范围。 [0017] 提供了一种纳米结构光电子器件，其包括纳米结构材料和与纳米结构材料混合的主体材料。该主体材料可以具有比纳米结构材料高的折射率。可以将主体材料的折射率选择为使器件的有效活性面积最大化。在替换实施例中，主体材料包括吸收光并以不同的能量重发射光的散射中心或吸收/发光中心，或者同时包括这两者。 [0018] 可以将纳米结构器件中的非活性材料视为占据否则可以由活性材料构成的体积，所述活性材料例如为其中在光伏器件中产生电子空穴对的材料。因此，相对于相同体积的非纳米结构器件而言，非活性材料由此减小了其占据器件的活性面积的空间。提供了使非活性材料对器件的有效面积的不良影响最小化的多种技术。换言之，器件将如同存在比实际存在的活性材料更大百分比的活性材料时那样工作。这通过向非活性材料中引入功能（functionality）、使得即使非活性材料未参与（例如在光伏装置中）电力产生、其也在电力产生方面帮助活性区来实现。 [0019] 在第一示例中，这通过引入具有这样的折射率的非活性材料来实现：所述折射率使得光被非活性材料的存在激励而进入活性材料。增加有效活性面积超过物理活性面积的非活性材料的折射率的范围是违反直觉的，并且在一些情况下与光学波导的更常见示例相反。光学波导被设计为将光约束在波导芯内部，并因此使外/覆层中的光的量最小化。为了将光约束在芯内部，芯的折射率需要比覆层的折射率大。这考虑到了全内反射且大部分光保持在芯内部。在大多数情况下，覆层理想地是非光学活性的且是不吸收的。因此，在波导中，将用于覆层的材料选择为使得折射率小于芯的折射率。 [0020] 在纳米材料中，纳米材料的尺寸小于感兴趣的能量范围中的光的波长。因此，波导模拟是不精确的。如同在波导情况下那样，非活性材料应是不吸收的。然而，通过选择具有比活性材料的折射率小的折射率的非活性材料，光不能被激励而进入活性材料。作为替代，通过计算非活性主体的理想折射率，并找到接近于此理想折射率的材料，光被激励而进入活性材料。 [0021] 这种违反直觉的结果可以从第一原理麦克斯韦方程或从有效介质理论导出，所述有效介质理论是麦克斯韦方程的近似。有效介质理论是在已知构成复合物的材料的光学性质时估计该复合材料的光学响应的一种方式。其本质上是光学性质的平均，但却是非线性加权平均。纳米材料通常由两种材料制成（一种常常是空气）。在Maxwell-Garnett有效介质理论中，纳米复合物的复介电函数（εcomposite）通过以下等式与活性（εactive）和非活性（εinactive）材料的复介电函数相关：在此等式中，f是复合物中的活性材料的体积分数且K是筛选参数。K取决于活性材料的形状，并且对于极小的纳米线而言，K＝1。 [0022] 有效介质理论预测当纳米材料的尺寸小于光的波长时，在感兴趣的能量中具有最低介电常数的材料比其体积平均值所指示的那样具有优势。因此，对于由纳米材料制成的太阳能电池和探测器而言，通常，理想的主体材料是在感兴趣的能量范围内光学透明、电绝缘且具有比活性材料大的折射率的材料。 [0023] 当活性材料具有显著吸收系数时，趋势是相同的，但是要求非活性材料具有甚至更大的折射率以有效地激励光进入活性区。 [0024] 对于空气主体内部的硅纳米线的示例而言，与复合物内部的光吸收成正比的折射率的虚部与图2所示的实际体积百分比f有关。如果有效活性面积等于实际活性面积，则图2将是f＝0时的0与f＝1时的体吸收系数之间的直线。事实上，有效活性面积在实际活性面积以下，使得这些器件不必要地低效。 [0025] 通过选择被优化的主体材料，可以将有效活性面积增加至实际活性面积以上。例如，图4示出当活性材料的折射率是1.975+8i且主体材料的折射率是2.77时的复合物的吸收系数。如通过本示例可以看到的，在一些情况下，主体材料的有意识设计可以大大地增加器件的有效面积。器件的有效活性面积相对于器件的实际面积的增加量取决于体积分数f、活性面积的复折射率、以及非活性面积的复折射率。 [0026] 图5还示出不同折射率的主体材料对光学吸收的影响。在本图中，活性材料具有被选择为逼近硅纳米线阵列的复折射率的复折射率。通常，人们想相对于基线增加光学吸收，例如在主体材料是具有约为1的折射率的空气的情况下。在本图中，可以看到从基线值相当大地增加了光学吸收。可以期望相对于基线至少约10%、至少约20%、至少约30%、或至少约50%的改善。这些改善可以是就许多品质因素而言的，例如折射率的虚部、有效活性面积、或与光学吸收有关的其它品质因素。 [0027] 以下是选择大折射率主体材料来提高活性区的性能的示例性应用。 [0028] 量子点探测器、太阳能电池、以及下变频器。量子点的带隙随着量子点尺寸的减小而增大。因此，光学吸收和发射是可调谐的，这使得量子点对于光发射、检测、或下变频应用而言非常有价值。量子点在另一材料内部，有时要求所述另一材料是导电的。此材料常常是有机材料，其通常具有略小于2的介电函数。量子点通常由无机材料制成，并具有比有机主体材料大得多的介电函数。如果主体材料被变为较大折射率的材料（例如TiO2），则需要较少的量子点在复合物中以吸收/发射相同的光量。这具有包括成本降低、便于处理、和探测器灵敏度增加的优点。 [0029] 纳米线光伏装置和探测器。类似于量子点，纳米线的带隙随着线直径的减小而增大。然而，纳米线具有附加优点，即其在一个维度上是连续的。因此，对于要求导电的应用而言，纳米线具有优点。因此，一些公司正在研究纳米线太阳能电池和纳米线探测器。（例如，Krzysztof J. Kempa、Michael J. Naughton、Zhifeng Ren和Jakub A. Rybczynski的美国公开专利申请No. 2007/0107103; M. Black的美国公开专利申请No. 2007/0278476；以 及 Zhihong Huang、James E. Carey、Mingue Liu、Xiangyi Guo、和Eric Mazur 的“Microstructured Silicon Photodetector”， Applied Physics Letters, Vol. 89, page 033506 (2006年7月20日)，其全部通过引用结合到本文中)。 [0030] 为了使太阳能电池的效率最大化，其应尽可能多地从太阳吸收光。这要求较厚的太阳能电池。然而，随着太阳能电池的厚度的增加，成本、漏电流、和电阻全都不期望地增加。如果主体材料（其围绕纳米线）被选择为光学透明、电绝缘、并具有优化折射率的材料，则复合物的光学吸收将增加。另外，即使主体具有少量的光学吸收，激励光进入纳米线并且不进入主体材料也将使主体的小光学吸收对器件性能的负面影响最小化。选择正确的主体材料将提高太阳能电池的性能并允许具有较薄电池的设计。对于硅纳米线太阳能电池的示例而言，从围绕纳米线的空气到TiO2的变化将增大有效活性面积。 [0031] 在器件是太阳能电池阵列的情况下，可能期望纳米线是锥形的。例如在2008年12月29日提交的美国临时专利申请No. 61/141,082中可以找到纳米线锥体的讨论。例如，利用微小锥形，纳米线中的自由载流子将从线的边缘弹回并因此趋向于向下传播至基底。如果光伏电池的p-n结在基底中而不是在纳米线中，则可以预期此朝向基底的增加的扩散将增加电池效率。期望的锥角可以是例如不多于约0.5度、约1度、约2度、或约4度，或者在约0.5度与约1度、约2度、或约4度之间的范围内。 [0032] 使用非活性主体来增加活性纳米结构主体的性能的另一示例是通过在主体内部放置散射中心。该散射中心将获取已被透射通过试验品的光，并将其散射，以便此光的一部分进入器件的活性区，并因此可以有助于器件性能。可以添加到纳米线太阳能电池的非活性部分的散射中心的某些示例是量子点、金属纳米颗粒、和高折射率电介质纳米点。 [0033] 使用非活性主体来增加活性纳米结构主体的性能的第三示例是通过在纳米线阵列的主体材料内部放置吸收/发光中心。该吸收/发光中心吸收光并以不同（通常较低、但在上变频器的情况下较高）的能量重发射光。如果吸收/发光中心被选择为使得发射光在能带边缘能量附近，则被重发射的光可以被吸收到纳米结构中并有助于改善器件效率。许多有机染料制成很好的吸收/发光中心。在一个示例中，使用波导将从有机吸收/发光中心发射的光子传送到与发光中心相距几厘米远的太阳能电池。（Currie MJ、Mapel JK、Heidel TD、Goffri S、Baldo MA的High-Efficiency Organic Solar Concentrators for Photovoltaics, Science, Vol. 321, pp. 226-228 (2008年7月11日)。） 图6描绘在主体中存在散射或吸收/发光中心的纳米结构。所述中心被描绘为点。示出箭头指向离开这些点之一以象征散射或吸收/发光。 [0034] 另一种类型的吸收重发射处理是金属颗粒，其通过等离子体激元共振将能量传输到纳米线太阳能电池。光子被吸收在金属颗粒中，激励等离子体激元共振，并且如果纳米线太阳能电池在离开金属颗粒的衰减长度内，则将此能量中的某些传输到纳米线太阳能电池。到太阳能电池的等离子体激元增强吸收和能量传输的原理被许多团体证明（例如，J. K. Mapel、M. Singh、M. A. Baldo的“Plasmonic Excitation of Organic Double Heterostructure Solar Cells”、Applied Physics Letters，Vol. 90，page 121102（2007）；和Harry Atwater的美国专利公开2007/0289623，两者都通过引用结合到本文中）。在我们描述的实施例中，我们将金属颗粒放置在材料的纳米结构内部，与将金属膜放置在太阳能电池附近、而不是纳米材料内部的等离子体激元共振的其它示例相反。 [0035] 总而言之，通常仅为了结构完整性而选择纳米系的主体，因此其不干扰活性纳米材料的性能。这里，我们列出非活性材料能够增强活性材料的性能的方式示例。通过选择具有比活性材料大的折射率的主体材料或通过在主体内部添加散射中心、吸收/发光中心、或等离子体激元共振器，可以增加活性材料的有效体积百分比，以便其大于活性材料的实际体积百分比。 [0036] 用本领域中已知的方法来制造本发明的器件。例如对Sami Franssila的Introduction to Microfabrication（John Wiley & Sons，2004）进行参考，并通过引用将其结合到这里。 [0037] 本文所提及的所有专利、专利申请、和公开的全部内容通过引用结合到本文中。然而，在通过引用结合包含明确定义的专利、专利申请、或公开的情况下，应将其明确定义理解为适用于在其中找到它们的结合专利、专利申请、或公开，而不适用于本申请的正文的其余部分，特别是本申请的权利要求。 |
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