从时代之初，人类就已经挑战发现开发能源的方式。能源具有 多种形式，如石化、水电、核能、风能、生物质能、太阳能和更多 的基本形式如木材和碳。在上世纪，现代文明依赖石化能源作为重 要来源。石化能源包括气和油。气包括更轻的形式如丁烷和丙烷， 一般用于家用生热和作为烹调燃料。油也包括汽油、柴油和航空煤 油，一般用于运输目的。石化产品的更重形式也能用于某些地方的 家用生热。不幸的是，石化能源是有限的，基本上固定在基于地球 的可用数量。另外，由于更多的人开始驾车而使用石化产品，其变 成了一项相当短缺的资源，实际上过不多久就会耗光。
更近一些，人们已经开始考虑清洁能源。清洁能源的一个实例 是水电能。水电能由大水坝如在内华达州的Hoover Dam拦截的水 力驱动发电机产生。所产生的电能用于Los Angeles，California，的 绝大部分供电。其他类型的清洁能源包括太阳能。太阳能的具体细 节能够通过本发明背景以及一下更具体的内容中找到。
太阳能一般把从太阳来的电磁辐射转化成其他有用的能源形 式。这些其它形式的能源包括热能和电能。对于电能应用，太阳能 电池是经常使用的。尽管太阳能是清洁的而在一定程度上实现了成 功利用，但是在世界范围内进行广泛利用之前仍然还有许多限制。 作为一个实例，一种类型的太阳能电池使用晶体材料，这种晶体材 料是由半导体材料结晶块形成。这些晶体材料包括光-二极管器件， 能够把电磁辐射转化成电流。晶体材料通常造价高，很难规模化制 造。另外，由这种晶体材料制成的器件能量转化效率较低。其他类 型的太阳能电池采用“薄膜”技术形成的光敏材料的薄膜，来用于 把电磁辐射转化成电流。类似的限制存在于制造太阳能电池中的薄 膜技术的使用。也就是，效率通常较差。另外，膜的可靠性通常较 差而不能在传统的应用环境中长期使用。这些传统技术的这些和其 他的限制能够在整个本说明书和以下更具体的内容中找到。
以上可见，人们对于生产光生伏打材料以及所得到的装置还期 望更新的技术。

根据本发明，提供了有关光生伏打材料的技术。更具体而言， 本发明提供了一种采用薄膜方法生产包含IV族材料(例如硅、锗、 硅-锗合金)和金属氧化物如氧化铜等的光生伏打材料的方法和结 构。仅仅以举例的方式，本发明方法和结构采用纳米结构设计实施， 但是应该意识到，本发明可以具有其他结构设计。
在一个具体的实施方式中，本发明提供了光生伏打纳米复合物 的纳米结构化材料，例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳 米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料。在一个具 体的实施方式中，该材料包括第一纳米结构化材料和第二纳米结构 化材料。术语“第一”和“第二”应该解释为它们的普通意义，而 不期望受到限制。混合区域通过第一纳米结构化材料和第二纳米结 构化材料提供。在一个具体的实施方式中，术语“混合区域”应该 解释成其普通意义，而不应该进行限制阐释。第一电子亲和势和第 一电离势特征化第一纳米结构化材料。第二电子亲和势和第二电离 势特征化第二纳米结构化材料。根据一个优选实施方式，第一电子 亲和势低于第二电子亲和势而第一电离势低于第二电离势。在一个 具体实施方式中，第二电子亲和势低于第一电离势。该材料也具有 以下性质：特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至 少一种或两种的对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光 学吸收系数为至少103cm-1。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种光生伏打纳米复 合物材料，例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳 米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米多孔材料。在一个具体实施 方式中，该材料包括第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料。 第一电子亲和势和第一电离势特征化第一纳米结构化材料。第二电 子亲和势和第二电离势特征化第二纳米结构化材料。在一个优选实 施方式中，第一电离势低于第二电离势而第一电子亲和势低于第二 电子亲和势。在一个具体实施方式中，第二电子亲和势低于第一电 离势。特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少一 种或两种的对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸 收系数为至少103cm-1。
在还有的另一实施方式中，本发明提供了一种光生伏打纳米复 合物材料，例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳 米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米多孔材料。该材料包括第一 纳米结构化材料、第二纳米结构化材料和第三纳米结构化材料。在 一个优选的实施方式中，混合区域是通过第一纳米结构化材料、第 二纳米结构化材料和第三纳米结构化材料提供的。第一电子亲和势 和第一电离势特征化第一纳米结构化材料。第二电子亲和势和第二 电离势特征化第二纳米结构化材料。第三电子亲和势和第三电离势 特征化第三纳米结构化材料。第一电子亲和势低于第二电子亲和 势，而第二电子亲和势低于第三电子亲和势。第一电离势低于第二 电离势而第二电离势低于第三电离势。第三电子亲和势低于第一电 离势。特征化第一纳米结构化材料、第二纳米结构化材料和第三纳 米结构化材料中至少一种、两种或所有三种的对于包括波长约 400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。
在还有的另一具体实施方式中，本发明提供了一种光生伏打纳 米复合物材料，例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、 纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料。根据一个具体的 实施方式，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料的一侧之 上。空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料之上电子传输/空 穴闭锁材料相反一侧。混合区域通过纳米结构化材料和电子传输/ 空穴闭锁材料提供。混合区域通过纳米结构化材料和空穴传输/电子 闭锁材料提供。在一个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学 吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料。在 一个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的正电荷 载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料。根据一个具体实施方 式，纳米结构化材料对于包括波长约400nm至700nm范围内的光 的光学吸收系数为至少103cm-1。
在还有的另一具体实施方式中，本发明提供了一种光生伏打纳 米复合物材料，例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、 纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料。根据一个具体的 实施方式，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构化材料的一侧之 上。混合区域通过纳米结构化材料和电子传输/空穴闭锁材料提供。 在一个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电 荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料。根据一个具体实施 方式，纳米结构化材料对于包括波长约400nm至700nm范围内的 光的光学吸收系数为至少103cm-1。
在还有的另一具体实施方式中，本发明提供了一种光生伏打纳 米复合物材料，例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、 纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料。根据一个具体实 施方式，空穴传输/电子闭锁材料位于纳米结构化材料一侧之上。混 合区域通过纳米结构化材料和空穴传输/电子闭锁材料提供。在一个 具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的正电荷载流 子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料。根据一个具体实施方式， 纳米结构化材料对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光 学吸收系数为至少103cm-1。
更进一步，本发明提供了一种光生伏打器件。在一个具体的实 施方式中，本发明器件具有一个电子接收电极；空穴接受电极；位 于电子接收电极和空穴接收电极之间的纳米结构化材料。纳米结构 化材料具有第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料。混合区域 由第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料提供。第一电子亲和 势和第一电离势特征化第一纳米结构化材料。第二电子亲和势和第 二电离势特征化第二纳米结构化材料。在一个优选实施方式中，第 一电子亲和势低于第二电子亲和势而第一电离势低于第二电离势， 而第二电子亲和势低于第一电离势。特征化第一纳米结构化材料和 第二纳米结构化材料中至少一种或两种对于包括波长约400nm至 700nm范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。
更进一步，本发明提供了一种光生伏打器件。在一个具体的实 施方式中，本发明器件具有一个电子接收电极；空穴接受电极；位 于电子接收电极和空穴接收电极之间的纳米结构化材料。纳米结构 化材料有第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料。混合区域由 第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料提供。第一电子亲和势 和第一电离势特征化第一纳米结构化材料。第二电子亲和势和第二 电离势特征化第二纳米结构化材料。在一个优选实施方式中，第一 电子亲和势低于第二电子亲和势而第一电离势低于第二电离势。在 一个具体的实施方式中，第二电子亲和势低于第一电离势。根据一 个具体的实施方式，电子传输/空穴闭锁材料位于电子接收电极和纳 米结构化材料之间。空穴传输/电子闭锁材料位于空穴接收电极和纳 米结构化材料之间。在一个具体的实施方式中，通过纳米结构化材 料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁 材料。在一个具体的实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产 生的正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料。特征化第 一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少一种或两种对于 包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少 103cm-1。
更进一步，本发明提供了一种光生伏打器件。在一个具体的实 施方式中，本发明器件具有一个电子接收电极；空穴接受电极；位 于电子接收电极和空穴接收电极之间的纳米结构化材料。纳米结构 化材料有第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料。混合区域由 第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料提供。第一电子亲和势 和第一电离势特征化第一纳米结构化材料。第二电子亲和势和第二 电离势特征化第二纳米结构化材料。在一个优选实施方式中，第一 电子亲和势低于第二电子亲和势而第一电离势低于第二电离势。在 一个具体的实施方式中，第二电子亲和势低于第一电离势。根据一 个具体的实施方式，电子传输/空穴闭锁材料位于电子接收电极和纳 米结构化材料之间。在一个具体的实施方式中，通过纳米结构化材 料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁 材料。特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少一 种或两种对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收 系数为至少103cm-1。
更进一步，本发明提供了一种本发明光生伏打器件。在一个具 体的实施方式中，本发明器件具有一个电子接收电极；空穴接受电 极；位于电子接收电极和空穴接收电极之间的纳米结构化材料。纳 米结构化材料具有第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料。混 合区域由第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料提供。第一纳 米结构化材料的特征是第一电子亲和势和第一电离势。第二电子亲 和势和第二电离势特征化第二纳米结构化材料。在一个优选实施方 式中，第一电子亲和势低于第二电子亲和势而第一电离势低于第二 电离势。在一个具体的实施方式中，第二电子亲和势低于第一电离 势。根据一个具体的实施方式，空穴传输/电子闭锁材料位于空穴接 收电极和纳米结构化材料之间。在一个具体的实施方式中，通过纳 米结构化材料光学吸收产生的正电荷载流子优先分离进入空穴传 输/电子闭锁材料。特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材 料中至少一种或两种对于包括波长约400nm至700nm范围内的光 的光学吸收系数为至少103cm-1。
更进一步，本发明提供了一种由位于电子接收电极和空穴接收 电极之间的纳米结构化材料例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米 柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料组成 的本发明光生伏打器件。根据一个具体的实施方式，电子传输/空穴 闭锁材料位于电子接收电极和纳米结构化材料之间。空穴传输/电子 闭锁材料位于空穴接收电极和纳米结构化材料之间。在一个具体的 实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优 先分离进入电子传输/空穴闭锁材料。在一个具体的实施方式中，通 过纳米结构化材料光学吸收产生的正电荷载流子优先分离进入空 穴传输/电子闭锁材料。根据一个具体实施方式，纳米结构化材料对 于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少 103cm-1。
在还有的另一实施方式中，本发明提供了一种本发明光生伏打 器件，例如太阳能电池。本发明器件具有位于电子接收电极和空穴 接收电极之间的纳米结构化材料。电子传输/空穴闭锁材料位于电子 接收电极和纳米结构化材料之间。在一个具体的实施方式中，通过 纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载流子优先分离进入电子 传输/空穴闭锁材料。在一个具体实施方式，纳米结构化材料对于包 括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少 103cm-1。
在一个具体的实施方式中，本发明提供了一种由位于电子接收 电极和空穴接收电极之间的纳米结构化材料组成的本发明光生伏 打器件。空穴传输/电子闭锁材料位于空穴接收电极和纳米结构化材 料之间。在一个具体的实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收 产生的正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料。在一个 具体实施方式，纳米结构化材料对于包括波长约400nm至700nm 范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。
在还有的另一实施方式中，本发明提供了一种本发明光生伏打 器件，例如太阳能电池。本发明器件具有含一个衬底表面区域的衬 底。本发明器件具有覆盖该表面区域的多个纳米结构。多个纳米结 构的特征尺寸为约1nm至约200nm。该特征尺寸特征化两个或多个 多个纳米结构之间间距。两个或多个多个纳米结构的高度为约 25nm至约500nm。半导体材料覆盖了多个纳米结构的表面区域， 并基本上填充了该两个或多个多个纳米结构之间的距离而组成半 导体材料的厚度。本发明器件的半导体表面区域由半导体材料的厚 度组成，与该两个或多个多个纳米结构的高度具有的一个分离间距 基本覆盖了多个纳米结构。本发明器件的厚度为约50nm至约 2000nm，特征化包括该多个纳米结构和半导体材料的夹层结构。
在一个可替代的具体实施方式中，本发明提供了一种形成由例 如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、 纳米壳、纳米带、纳米孔材料、其他结构之中的那些组成的光生伏 打纳米复合物材料的方法。该方法包括：提供第一纳米结构材料， 其上具有多个第一纳米结构。该方法包括使该多个第一纳米结构经 受具有具备流体特征的多个第二纳米结构的流体而形成通过该多 个第一纳米结构和由该流体形成的第二纳米结构化材料提供的混 合区域，以至于所述混合区域的特征为该多个第一纳米结构基本上 与第二纳米结构化材料相接触；该方法包括采用一种或多种工艺处 理包括所述混合区域的第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材 料而提供以第一电子亲和势和第一电离势为特征的第一纳米结构 化材料和以第二电子亲和势和第二电离势为特征的第二纳米结构 化材料。在一个具体实施方式中，第一电子亲和势低于第二电子亲 和势而第一电离势低于第二电离势。在一个具体实施方式中，第二 电子亲和势低于第一电离势。其中特征化第一纳米结构化材料和第 二纳米结构化材料中至少一种或两种对于包括波长约400nm至 700nm范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。
在一个可替代的实施方式中，本发明提供了一种形成由例如纳 米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳 米壳、纳米带、纳米孔材料组成的光生伏打纳米复合物材料的方法。 在一个具体实施方式中，本发明包括提供透明衬底组件，该组件具 有表面区域。该方法包括形成覆盖该表面区域的透明电极组件。该 方法也包括形成覆盖该透明电极组件的第一纳米结构材料。在一个 具体实施方式中，第一纳米结构化材料其上具有多个第一纳米结构 和第一纳米结构材料的第一表面区域。本方法也包括使该第一纳米 结构材料的第一表面区域经受一种或多种具有具备流体特征的多 个第二纳米结构的流体而形成通过该多个第一纳米结构和由该一 种或多种流体形成的第二纳米结构化材料提供的混合区域，以至于 所述混合区域的特征为该多个第一纳米结构基本上与第二纳米结 构化材料相接触。在一个具体实施方式中，本方法也包括采用一种 或多种工艺处理包括所述混合区域的第一纳米结构化材料和第二 纳米结构化材料而提供以第一电子亲和势和第一电离势为特征的 第一纳米结构化材料和以第二电子亲和势和第二电离势为特征的 第二纳米结构化材料。在一个优选的实施方式中，第一电离势低于 第二电离势而第一电子亲和势低于第二电子亲和势。在一个优选实 施方式中，第二电子亲和势低于第一电离势。在一个优选实施方式 中，特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少一种 或每一种的光学吸收系数对于包括波长约400nm至700nm范围内 的光的光学吸收系数为至少103cm-1。本方法包括形成覆盖第二纳米 结构化材料的电极。
根据具体的实施方式不同，也可以包括一种或多种这些特征。 本发明的技术为使用依赖于基于纳米技术的传统技术的方法提供 了轻松便捷。根据一个具体实施方式，这种基于纳米技术的材料和 方法能够提高转换效率和改进加工处理过程。在一些实施方式中， 本方法可以为太阳光转化成电能提供更高的效率。根据不同的实施 方式，对于本发明所得到太阳能电池，其效率可能为约10％或约 20％或更大。另外，本方法提供的工艺过程能与传统的工艺技术兼 容，而勿需对传统设备和工艺方法作重大改动。在一个具体实施方 式中，本方法和结构也能够被提供使用大规模生产技术，这将会降 低与光生伏打器件生产相关的成本。在另一个具体实施方式中，本 发明和结构也能够被提供采用基于溶液的加工处理。根据实施方式 不同，可以获得一种或多种这种受益。这些或其他的受益将会在更 全面地描述于本说明书和以下更具体的内容中。
本发明的各种附加目的、特征和优点参照以下紧接着的详细描 述和附图将能够得到更加全面的理解。

图1是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打器 件纳米结构化材料的简图。
图1A是举例说明根据本发明一个实施方式的图1器件混合区 域的简图。
图2至图6是举例说明根据本发明一个实施方式制造本发明光 生伏打器件纳米结构化材料的方法的简图。
图7是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打器 件可替代的纳米结构化材料的简图。
图8至图13是举例说明根据本发明一个实施方式制造本发明 光生伏打器件纳米结构化材料的可替代方法的简图。
图14是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打 器件还有的另一可替代的纳米结构化材料的简图。
图15至图18是举例说明根据本发明一个实施方式制造本发明 光生伏打器件纳米结构化材料的还有的另一可替代方法的简图。
图19是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打 器件还有的另一可替代的纳米结构化材料的简图。
图20至图22是举例说明根据本发明一个实施方式制造本发明 光生伏打器件纳米结构化材料的还有的另一可替代方法的简图。
图23是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打 器件还有的另一可替代的纳米结构化材料的简图。
图24至图25是举例说明根据本发明一个实施方式制造本发明 光生伏打器件纳米结构化材料的还有的另一可替代方法的简图。
图26是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打 器件还有的另一可替代的纳米结构化材料的简图。
图27至图28是举例说明根据本发明一个可替代实施方式制造 本发明光生伏打器件纳米结构化材料的还有的另一可替代方法的 简图。
图29至图33是举例说明根据本发明实施方式形成纳米结构化 材料的方法的简图。

根据本发明的实施方式，提供了光生伏打材料相关的技术。更 具体而言，本发明提供了一种采用薄膜方法生产包含IV族材料(如 硅，锗，硅-锗合金)、金属氧化物和金属硫化物的光生伏打材料的 方法和结构。仅仅以举例的方式，本方法和结构采用纳米结构化形 态学进行实施，但是应该理解到，本发明可以具有其他形态。本发 明实施方式的更详细的细节能够在整个说明书和以下更具体的内 容中发现。
图1是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打器 件纳米结构化材料的简图100。该图仅仅是一个实例，不应该不适 当地限制此处权利要求的范围。普通的技术员将会认知其他的变 体、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件是由例如纳米粒子、 量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳 米带、纳米孔材料组成的纳米复合物的纳米结构化材料制成的。在 一个具体实施方式中，本发明器件包括衬底组件101。该衬底组件 包括一个覆盖表面区域。在一个具体实施方式中，该衬底组件能够 是绝缘体、导体或半导体，包括这些的任何组合等。在一个具体实 施方式中，绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质和/ 或复合和/或分层材料的类型。在一个具体实施方式中，导体能够是 金属、金属合金或这些的任意组合等。另外，衬底组件能够是半导 体，如硅、硅-锗合金、III/V族或II/VI族材料等。当然，也能够有 其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底 组件表面区域的电极结构。在一个具体实施方式中，电极结构能够 由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材 料或这些的组合等。根据实施方式不同，电极层能够是光学透明的 或阻光材料或光反射材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分层结 构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低电 阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何 扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层，电极材料能够是金属 氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂氧化锡， 这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而定。在一 个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要 求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不 超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖电极组 件表面区域的第一纳米结构化材料105。在一个优选的实施方式中， 第一纳米结构化材料物理地电耦合连接于电极组件表面区域。根据 一个具体实施方式，本发明器件也包括覆盖第一纳米结构化材料的 第二纳米结构化材料107。在一个具体实施方式中，第一和第二纳 米结构化材料形成了混合区域，这在整个说明书和以下更具体的内 容中进行了描述。根据一个具体实施方式，第二纳米结构化材料具 有一个平面表面区域。根据实施方式不同，第一纳米结构化材料和 第二纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、 纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的 任意组合等的多个纳米结构组成。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。
在一个具体实施方式中，每一纳米结构化材料由合适的复合 物、均质材料或异质材料，包括分层材料、分级材料等制成。在一 个具体实施方式中，第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由 半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V 族、这些的组合等组成。根据实施方式不同，半导体材料能够是无 机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中，这些纳米结构化 材料中要么一种要么两种都能够由金属氧化物物质制成。作为一个 实例，对于第一纳米结构化材料的金属氧化物能够是CuO，Cu2O， FeO，Fe2O3，这些的组合等。在可替代的实施方式中，第一纳米结构 化材料能够是金属硫化物物质。仅仅作为一个实例，金属硫化物物 质能够包括FeS2，SnS，Cu2S，及其组合等。在还有的一个可替代实 施方式中，第一纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质组成的 半导体材料。其中一个实例是金属硅化物如FeSi2等。当然，也能 够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，第二纳米结构化材料由金属氧化物如 ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3组成。在一个可替代的实施方式中，第 二纳米结构化材料可以含有金属硫化物如SnS2，ZnS。在其他实施方 式中，第一纳米结构化材料能够选自Si，Ge，ZnO，TiO2，SnO2，WO3， CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，Fe3O4，Cu2S，FeS，包括组合等。在其他普通 实施方式中，第一纳米结构化材料选自金属硫化物，如Cu2S，FeS， FeS2或SnS。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中，纳米结构化材料能够具有采用一种或多种 材料的一定空间形态。作为一个实例，第一纳米结构化材料由选自 IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组 成。在一个可替代实施方式中，第一纳米结构化材料由选自Si，Ge， SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中，第一纳米结构化材料 由选自ZnO，FeO，Fe2O3，CuO，Cu2O的纳米柱组成。在某些实施方 式中，第一纳米结构化材料由选自FeS2，SnS，Cu2S或其他的纳米结 构化金属硫化物组成。另外，第一纳米结构化材料可以由含有IV 族半导体物质如FeSi2等的半导体材料组成。在还有的其他实施方 式中，第一纳米结构化材料由选自IV族半导体材料，IV-IV族半导 体材料和金属氧化物的纳米管组成。在其他实施方式中，第一纳米 结构化材料由TiO2组成的纳米管组成。在其他可替代实施方式中， 第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料，IV-IV族半导体材料， 而第二纳米结构化材料由金属氧化物组成的纳米柱组成。当然，也 能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中，第一纳米结构化材料选自Si，Ge，SiGe合 金，而第二纳米结构化材料由ZnO构成的纳米柱组成。在其他实施 方式中，第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料，IV-IV族半导 体材料，而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米管组成。 根据一个具体实施方式，第一纳米结构化材料选自Si，Ge，SiGe合 金，而第二纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。另外，第一 纳米结构化材料选自Si，Ge，SiGe合金，而第二纳米结构化材料由 纳米结构化的金属硫化物如SnS2，ZnS组成。在一个可替代实施方 式中，第一纳米结构化材料由无机半导体组成，而第二纳米结构化 材料由有机半导体组成。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件也具有一个混合 区域111，其可以包括第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料 之间提供的第一和第二纳米结构化材料。根据实施方式不同，混合 区域能够具有某些空间几何形状。作为一个实例，混合区域的厚度 为约1nm至约5000nm，而混合的特征空间间距为约1nm至约 5000nm。在一个可替代实施方式中，混合区域的厚度为约1nm至 约1000nm，而混合的特征空间间距为约1nm至约1000nm。还有， 混合区域的厚度为约1nm至约500nm，而混合的特征空间间距为约 1nm至约500nm。另外，混合区域的厚度为约1nm至约100nm，而 混合的特征空间间距为约1nm至约100nm。在其他实施方式中，混 合区域的厚度为约1nm至约50nm，而混合的特征空间间距为约1nm 至约50nm。可替代地，混合区域的厚度为约1nm至约50nm，而混 合的特征空间间距为约1nm至约10nm。在其他实施方式中，混合 区域的厚度为约1nm至约50nm，而混合的特征空间间距为约1nm 至约5nm。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，混合区域具有包括第一和第二纳米结 构化材料的界面区域。根据一个具体实施方式，也就是说，界面区 域基本上物理地电接触第一和第二纳米结构化材料，如所示。在一 个优选的实施方式中，界面区域能够是包括第一和第二纳米结构化 材料的整合结构。另外，根据一个可替代的实施方式，界面区域能 够是两个相互接触的分开结构。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
参照图1A，举例说明了根据本发明一个实施方式的图1光生 伏打器件的混合区域。该图仅仅是一个实例，其不应该不合适地限 制此处权利要求的范围。本领域的普通技术员会认知许多变体、替 代和修改。如所示，混合区域150包括来自第一和第二纳米结构 化材料每一种的纳米结构化材料。在一具体的实施方式中，混合区 域实际上包括来自每一种纳米结构化材料的混合纳米结构。另外， 根据一个具体实施方式，混合区域能够包括分开每一种纳米结构化 材料的界面区域。也就是说，根据一个具体实施方式，混合区域能 够包括每一纳米结构化材料的一个或多个部分和/或每一纳米结构 化材料的全部。当然，本领域的普通技术员会认知许多变体、修改 和替代。另外，此处描述的界面区域可以在此处描述的一个或多个 或所有的实施方式中和整个本申请说明书中实现。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件也具有特征化第 一纳米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体 实施方式，特征化第二纳米结构化材料的第二电子亲和势和第二电 离势。在一个优选的实施方式中，第一电子亲和势小于第二电子亲 和势，而第一电离势小于第二电离势，同时根据一个优选实施方式 第二电子亲和势小于第一电离势。在一个优选的实施方式中，材料 也具有特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少 之一或两种且对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至 少为103cm-1的光学吸收系数。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件具有特征化每种 纳米结构化材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式 中，第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米 结构化材料的电子亲和势和电离势至少100eV。在其他实施方式中， 第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结 构化材料的电子亲和势和电离势至少300eV。在其他实施方式中， 第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结 构化材料的电子亲和势和电离势至少500eV。当然，也能够有其他 变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料以能带隙为特征。根 据一个具体实施方式，纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为 约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中，纳米结构 化材料至少之一或两种的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外，纳 米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料也具有载流子迁移 率。根据一个具体实施方式，一种纳米结构化材料的载流子迁移率 为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中，一种纳 米结构化材料的载流子迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。 在其他实施方式中，一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约 1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
如所示，根据一个具体实施方式，本发明光生伏打器件具有通 过纳米结构化材料光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子，在 第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间的界面处发生分 离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传 输，而正电荷载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。 在一个具体实施方式中，电荷载流子经历第一纳米结构化材料和第 二纳米结构化材料中的绝大部分载流子传输。当然，也能够有其他 变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖第二纳 米结构化材料表面区域的电极结构109。在一个具体实施方式中， 电极结构能够由合适的材料或材料组合制成。合适的材料能够是金 属、有机材料或这些的组合等。根据实施方式不同，电极层能够是 光学透明的或阻光材料或光反射材料。当然，也能够有其他变体、 修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，以及分层 结构等。另外，电极层能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低电 阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何 扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层，电极材料能够是金属 氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂氧化锡， 这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而定。在一 个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要 求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不 超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。制 作本发明器件的方式的更详细的细节能够在本发明整个说明书和 以下更具体的内容中找到。
根据本发明一个实施方式用于形成本发明光生伏打器件的纳 米复合物纳米结构化材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃)；
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波)；
3.形成覆盖表面区域的电极层；
4.形成覆盖电极层的第一纳米结构化材料(例如纳米粒子、 量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳 米带、纳米孔材料)；
5.形成覆盖第一纳米结构化材料以使第一纳米结构化材料与 第二纳米结构化材料相互混合的第二纳米结构化材料(例如纳米粒 子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、 纳米带、纳米孔材料)；
6.促使在第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间提 供的混合区域的形成；
7.至少处理该混合区域，以提供第一纳米结构化材料处于第 一电子亲和势和第一电离势；
8.至少处理该混合区域，以提供第二纳米结构化材料处于第 二电子亲和势和第二电离势(步骤7和8可以同时的和/或重叠的， 取决于具体的实施方式)；
9.形成覆盖第二纳米结构化材料的电极结构。
10.按照需要，实施其他步骤；和
11.提供包括混合区域的光生伏打器件，以至于第一电子亲和 势小于第二电子亲和势而第一电离势小于第二电离势且特征化第 一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种对于 包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少 103cm-1。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所 示，该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应 用的纳米复合物纳米结构化材料的方法的步骤组合。其他可替代步 骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步 骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实 施方式的本发明方法的更详细的细节能够在本发明整个说明书和 以下更具体的内容中找到。
图2至图6是举例说明根据本发明一个实施方式制造本发明光 生伏打器件纳米结构化材料的方法的简图。该图仅仅是一个实例， 不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通技术员能认知其 他变化、修改和替代。如所示，本发明方法以提供衬底组件200开 始。衬底组件包括覆盖的表面区域201。在一个具体的实施方式中， 衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体，包括这些任意组合，复合 物和分层的材料等。在一个具体实施方式中，绝缘体能够是玻璃、 石英、塑料、陶瓷或其他均质的和/或复合的和/或分层的材料的类 型。在一个具体实施方式中，导体能够是金属、金属合金、有机材 料或这些的任意组合等。另外，衬底组件能够是半导体材料，如硅、 硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然，也能够有其他变 体、修改和替代。
再参照图2，本方法包括一个清洗过程，采用一种或多种合适 的技术清洗表面区域。在一个具体实施方式中，清洗过程能够包括 湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括，除了别的以外， RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、 这些的任意组合等进行有机冲洗。清洗过程也能包括用超清洁水如 去离子水和/或基本无微粒水。在其他实施方式中，清洗过程也能包 括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等 的等离子体清洗。一旦完成清洗，表面区域基本上无微粒、无有机 污染物、无金属和无其他化学物质，包括这些的组合。当然，本领 域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
现在参照图3，本发明方法包括形成覆盖表面区域的电极层 301。在一些实施方式中，电极层可以通过传统沉积方法如溅射法、 蒸发沉积法和溶液沉积法形成。如所示，电极层覆盖了衬底组件的 表面区域。在一个具体实施方式中，电极层能够用合适的材料或材 料组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。 根据实施方式不同，电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反 射的材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、镍、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分 层结构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在 一个具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较 低(或较高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运 转故障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层，电极材 料能够是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌， 氟掺杂氧化锡，这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施 方式而定。在一个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的 电阻率低于所要求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01 欧姆-厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、 修改和替代。
可选地，本发明方法可以包括在电极层形成之后的一个清洗过 程。在一个具体实施方式中，清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。 这种湿清洗技术的实例包括，除了别的以外，RCA清洗、湿浸渍清 洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行 有机冲洗。该清洗过程也能包括超清洁水如去离子水和/或基本无粒 子的水。在其他实施方式中，清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰 性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一 旦完成清洗，表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无 其他化学物质的，包括这些的组合。在一个优选的实施方式中，本 发明方法在电极层发生任何污染之前实施随后的沉积过程。当然， 本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明方法形成覆盖电极层的第一纳 米结构化材料401。在一个具体实施方式中，第一纳米结构化材料 处于电极层之上与之实现物理的电接触。现在参照图5，本发明方 法形成覆盖第一纳米结构化材料以至于与第二纳米结构化材料相 混合的第二纳米结构化材料501(例如纳米粒子、量子点、量子线、 纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料 等)。
在一个具体实施方式中，纳米结构化材料能够具有一定几何形 状和/或尺寸。该材料能够包括，除别的之外，纳米粒子、量子点、 量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳 米孔材料，包括这些的组合等。在一个具体实施方式中，本发明方 法能够形成某些类别中的纳米结构化材料如纳米孔、纳米柱、纳米 管、纳米粒子、这些的任意组合等。形成这些纳米结构化材料的方 法的更详细的细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容 中找到。
再参照附图5，本发明方法形成提供于第一纳米结构化材料和 第二纳米结构化材料之间的混合区域503。在一个具体实施方式中， 混合区域经过处理以提供第一纳米结构化材料处于第一电子亲和 势和第一电离势而第二纳米结构化材料处于第二电子亲和势和第 二电离势。根据实施方式不同，本发明方法能够分开或同时对这些 两种纳米结构化材料进行处理，而使第一电子亲和势低于第二电子 亲和势，以提供包括混合区域的本发明光生伏打器件。在一个优选 实施方式中，第一电离势低于第二电离势。在一个优选实施方式中， 第二电子亲和势低于第一电离势。另外，根据一个优选的实施方式， 本发明光生伏打器件具有特征化第一纳米结构化材料和第二纳米 结构化材料中至少之一或两种且对于包括波长为约400nm至约 700nm范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。
参照图6，本发明方法形成覆盖第二纳米结构化材料的电极层 601。如所示，电极结构覆盖了第二纳米结构化材料的表面区域。 在一个具体实施方式中，电极结构能够由合适的材料或材料的组合 制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。根据实 施方式不同，电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材 料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分层结 构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低 (或较高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转 故障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层，电极材料 能够是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟 掺杂氧化锡，这些的任意组合等，这要根据具体的实施方式而定。 在一个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于 所要求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米 或不超过约100欧姆-厘米。根据实施方式不同，也能够实施其它步 骤。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所 示，该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应 用的纳米复合物纳米结构化材料的方法的步骤组合。其他可替代步 骤也能够提供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步 骤按不会偏离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据可替代 的实施方式的本发明方法和结构的更详细细节能够在本发明整个 说明书和以下更具体的内容中找到。
图7是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打器 件可替代的纳米结构化材料700的简图。该图仅仅是一个实例，不 应该不适当地限制此处权利要求的范围。普通的技术员将会认知其 他的变体、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件是由例如纳米 粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米 壳、纳米带、纳米孔材料的纳米结构化材料制成的。在一个具体实 施方式中，本发明器件包括衬底组件701。该衬底组件包括一个覆 盖表面区域。在一个具体实施方式中，该衬底组件能够是绝缘体、 导体或半导体，包括这些的任何组合等。在一个具体实施方式中， 绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质和/或复合和/或 分层材料的类型。在一个具体实施方式中，导体能够是金属、金属 合金或这些的任意组合等。另外，衬底组件能够是半导体，如硅、 硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然，也能够有其他变 体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底 组件表面区域的电极结构703。在一个具体实施方式中，电极结构 能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有 机材料或这些的组合等。根据实施方式不同，电极层能够是光学透 明的或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修 改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分层结 构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低 (较高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故 障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够是 金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂氧 化锡，这些的任意组合等，这要根据具体的实施方式而定。在一个 具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要求 的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超 过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中，本发明光生伏打器件具有覆盖的电 子传输/空穴闭锁材料705。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴 闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合 适性能。如所示，电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极703，该电极优 选是透明的。另外，根据一个具体实施方式，衬底也是光学透明的。 另外，根据一个具体实施方式，电极和衬底组件不是透明的，也可 以包括反射材料，其容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区 域反射回来。仅仅作为一个实例，电子传输/空穴闭锁材料能够是无 机半导体、金属氧化物、有机半导体，或任何其他合适的材料，包 括材料的组合，分层材料等。在一个具体实施方式中，电子传输/ 空穴闭锁材料能够是金属氧化物，包括但不限于ZnO，TiO2，SnO2， WO3，Fe2O3，其他金属氧化物等。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖电子传 输/空穴闭锁材料705(也参见参考数字750)的第一纳米结构化材 料751，其扩展了混合区域709。在一个优选的实施方式中，第一 纳米结构化材料电耦合于电极组件的表面区域。根据一个具体实施 方式，本发明光生伏打器件也包括覆盖第一纳米结构化材料的第二 纳米结构化材料753。在一个具体实施方式中，第一和第二纳米结 构化材料形成混合区域，这在整个说明书和一下更具体的内容中已 经描述。根据一个具体实施方式，第二纳米结构化材料具有一个平 面表面区域。根据实施方式不同，第一纳米结构化材料和第二纳米 结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、 纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合 等的多个纳米结构组成。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，每一纳米结构化材料由合适的复合 物、均质材料或异质材料，包括分层材料、分级材料等制成。在一 个具体实施方式中，第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由 半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V 族、这些的组合等组成。根据实施方式不同，半导体材料能够是无 机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中，这些纳米结构化 材料中要么一种要么两种都能够由金属氧化物物质制成。作为一个 实例，对于第一纳米结构化材料的金属氧化物能够是CuO，Cu2O， FeO，Fe2O3，这些的组合等。可替代地，第一纳米结构化材料能够由 金属硫化物物质制成。例如，金属硫化物物质能够是FeS2，Cu2S，SnS， 这些的组合等。在一个可替代实施方式中，第一纳米结构化材料能 够是由IV族半导体物质组成的半导体材料，例如，FeSi2。当然， 也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，第二纳米结构化材料由金属氧化物如 ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3组成。在一个可替代的实施方式中，第 二纳米结构化材料可以含有金属硫化物如SnS2，ZnS。在其他实施方 式中，第一纳米结构化材料能够选自Si，Ge，ZnO，TiO2，SnO2，WO3， CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，Fe3O4，Cu2S，FeS，包括组合等。在其他普通 实施方式中，第一纳米结构化材料选自金属硫化物，如Cu2S，FeS， FeS2，SnS。在某些实施方式中，第一纳米结构化材料能够是包括 IV族半导体物质例如FeSi2的半导体。当然，也能够有其他变体、 修改和替代。
在其他实施方式中，纳米结构化材料能够具有采用一种或多种 材料的一定空间形态。作为一个实例，第一纳米结构化材料由选自 IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组 成。在一个可替代实施方式中，第一纳米结构化材料由选自Si，Ge， SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中，第一纳米结构化材料 由选自ZnO，FeO，Fe2O3，CuO，Cu2O的纳米柱组成。第一纳米结构 化材料可以由金属硫化物如FeS2，Cu2S，SnS组成。另外，第一纳米 结构化材料可以包括由IV族半导体物质如FeSi2组成的半导体材 料。在还有的其他实施方式中，第一纳米结构化材料由选自IV族 半导体材料，IV-IV族半导体材料和金属氧化物的纳米管组成。在其 他实施方式中，第一纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在 其他可替代实施方式中，第一纳米结构化材料选自IV族半导体材 料，IV-IV族半导体材料，而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成 的纳米柱组成。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中，第一纳米结构化材料选自Si，Ge，SiGe合 金，而第二纳米结构化材料由ZnO构成的纳米柱组成。在其他实施 方式中，第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料，IV-IV族半导 体材料，而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米管组成。 根据一个具体实施方式，第一纳米结构化材料选自Si，Ge，SiGe合 金，而第二纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。另外，第一 纳米结构化材料选自Si，Ge，SiGe合金，而第二纳米结构化材料由 纳米结构化的金属硫化物如SnS2，ZnS组成。在一个可替代实施方 式中，第一纳米结构化材料由无机半导体组成，而第二纳米结构化 材料由有机半导体组成。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明器件也具有一个混合区域707， 其可以包括的第一和第二纳米结构化材料，被提供于第一纳米结构 化材料和第二纳米结构化材料之间。根据实施方式不同，混合区域 能够具有某些空间形状。作为一个实例，混合区域的厚度为约1nm 至约5000nm，而混合的特征空间间距为约1nm至约5000nm。在一 个可替代实施方式中，混合区域的厚度为约1nm至约1000nm，而 混合的特征空间间距为约1nm至约1000nm。还有，混合区域的厚 度为约1nm至约500nm，而混合的特征空间间距为约1nm至约 500nm。另外，混合区域的厚度为约1nm至约100nm，而混合的特 征空间间距为约1nm至约100nm。在其他实施方式中，混合区域的 厚度为约1nm至约50nm，而混合的特征空间间距为约1nm至约 50nm。可替代地，混合区域的厚度为约1nm至约50nm，而混合的 特征空间间距为约1nm至约10nm。在其他实施方式中，混合区域 的厚度为约1nm至约50nm，而混合的特征空间间距为约1nm至约 5nm。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，混合区域707具有包括第一和第二纳 米结构化材料的界面区域。根据一个具体实施方式，也就是说，界 面区域基本上物理地电接触第一和第二纳米结构化材料，如所示。 在一个优选的实施方式中，界面区域能够是包括第一和第二纳米结 构化材料的整合结构。另外，根据一个可替代的实施方式，界面区 域能够是两个相互接触的分开结构。当然，也能够有其他变体、修 改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明器件也具有特征化第一纳米结 构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方 式，第二电子亲和势和第二电离势特征化第二纳米结构化材料。在 一个优选的实施方式中，第一电子亲和势小于第二电子亲和势，而 根据一优选的实施方式第一电离势小于第二电离势。在一个优选实 施方式中，第二电子亲和势小于第一电离势。在一个优选的实施方 式中，材料也具有特征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材 料中至少之一或两种且对于包括波长为约400nm至约700nm范围 内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。当然，也能够有其他变体、 修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件具有特征化每种 纳米结构化材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式 中，第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米 结构化材料的电子亲和势和电离势至少100eV。在其他实施方式中， 第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结 构化材料的电子亲和势和电离势至少300eV。在其他实施方式中， 第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结 构化材料的电子亲和势和电离势至少500eV。当然，也能够有其他 变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料以能带隙为特征。根 据一个具体实施方式，纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为 约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中，纳米结构 化材料至少之一或两种的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外，纳 米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料也具有载流子迁移 率。根据一个具体实施方式，一种纳米结构化材料的载流子迁移率 为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中，一种纳 米结构化材料的载流子迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。 在其他实施方式中，一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约 1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
如所示，根据一个具体实施方式，本发明器件具有通过纳米结 构化材料光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子，在第一纳米 结构化材料和第二纳米结构化材料之间的界面处发生分离。负电荷 载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输，而正电荷 载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实 施方式中，电荷载流子经历第一纳米结构化材料和第二纳米结构化 材料中的绝大部分载流子传输。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个优选实施方式中，本发明光生伏打器件具有覆盖用的空 穴传输/电子闭锁材料709。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子 闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合 适性能。如所示，根据一个具体实施方式，空穴传输/电子闭锁材料 覆盖混合区域，尤其是第二纳米结构化材料。在一个具体实施方式 中，空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物，IV族半导体材 料，IV-IV族半导体材料，金属硫化物，铜化合物，有机半导体，这 些的组合，其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式中， 空穴传输/电子闭锁材料选自NiO，Cu2O，Si，Ge，SiGe合金，Cu2S， CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc，这些的组合，其可以是复合的和/或分层 的等。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构 化材料和电子接收电极之间，这将在以下进行更全面的描述。在一 个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载 流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料，而在电子传输/空穴闭 锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中，空穴传输/电子闭锁材 料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间，这在先前已经进行了 描述。根据一个具体实施方式，通过纳米结构化材料光学吸收产生 正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料，而在空穴传输 /电子闭锁材料中传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传 输/电子闭锁材料表面区域的电极结构711。在一个具体实施方式中， 电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是 金属，有机材料，或这些的组合等。根据实施方式不同，电极结构 能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能够有 其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，以及分层 结构等。另外，电极层能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低电 阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何 扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够是金属氧化 物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂氧化锡，这 些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而定。在一个 具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要求 的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超 过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。制作 本发明器件的方式的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下 更具体的内容中找到。
根据本发明一个可替代实施方式用于形成本发明光生伏打器 件的纳米复合物材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃)；
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波)；
3.形成覆盖表面区域的电极层；
4.形成覆盖电极层的电子传输/空穴闭锁材料；
5.形成覆盖电子传输/空穴闭锁材料的第一纳米结构化材料(例 如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、 纳米壳、纳米带、纳米孔材料)；
6.形成覆盖第一纳米结构化材料以使第一纳米结构化材料与 第二纳米结构化材料相互混合的第二纳米结构化材料(例如纳米粒 子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、 纳米带、纳米孔材料)；
7.促使在第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间提 供的混合区域的形成；
8.至少处理该混合区域，以提供处于第一电子亲和势和第一 电离势的第一纳米结构化材料；
9.至少处理该混合区域，以提供处于第二电子亲和势和第二 电离势的第二纳米结构化材料(步骤8和9可以同时的和/或重叠的， 取决于具体的实施方式)；
10.形成覆盖第二纳米结构化材料的空穴传输/电子闭锁材料；
11.形成覆盖第二纳米结构化材料的电极结构；
12.按照需要，实施其他步骤；和
13.提供包括混合区域的本发明光生伏打器件，以至于第一电 子亲和势小于第二电子亲和势而第一电离势小于第二电离势且特 征化第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两 种对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为 至少103cm-1。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所 示，该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应 用的纳米复合物纳米结构化材料、空穴传输/电子闭锁材料和电子传 输/空穴闭锁材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于 步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此 处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明 方法的更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容 中找到。
图8至图13是举例说明根据本发明一个可替代的实施方式制 造本发明光生伏打器件纳米结构化材料的可替代方法的简图。该图 仅仅是一个实例，不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普 通技术员能认知其他变化、修改和替代。如所示，本发明方法以提 供衬底组件800开始。衬底组件包括覆盖的表面区域801。在一个 具体的实施方式中，衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体，包括 这些的任意组合等。在一个具体实施方式中，绝缘体能够是玻璃、 石英、塑料、陶瓷或其他均质的和/或复合的和/或分层的材料的类 型。在一个具体实施方式中，导体能够是金属、金属合金、有机材 料或这些的任意组合等。另外，衬底组件能够是半导体材料，如硅、 硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然，也能够有其他变 体、修改和替代。
再参照图8，本方法包括一个清洗过程，采用一种或多种合适 的技术清洗表面区域。在一个具体实施方式中，清洗过程能够包括 湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括，除了别的以外， RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、 这些的任意组合等进行有机冲洗。清洗过程也能包括采用超清洁水 如去离子水和/或基本无微粒的水。在其它实施方式中，清洗过程也 能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气 体等的等离子体清洗。一旦完成清洗，表面区域基本上无微粒、无 有机污染物、无金属和无其他化学物质，包括这些的组合。当然， 本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
现在参照图9，本发明方法包括形成覆盖表面区域的电极层 901。在一些实施方式中，电极层可以通过传统沉积方法如溅射法、 蒸发沉积法和溶液沉积法形成。如所示，电极结构覆盖了衬底组件 的表面区域。在一个具体实施方式中，电极结构能够用合适的材料 或材料组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合 等。根据实施方式不同，电极层能够是光学透明的或阻光的材料或 光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、镍、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分 层结构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在 一个具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较 低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转 故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够 是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂 氧化锡，这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而 定。在一个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率 低于所要求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆- 厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
可选地，本发明方法可以包括在电极层形成之后的一个清洗过 程。在一个具体实施方式中，清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。 这种湿清洗技术的实例包括，除了别的以外，RCA清洗、湿浸渍清 洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行 有机冲洗。该清洗过程也能包括超清洁水如去离子水和/或基本无粒 子的水。在其他实施方式中，清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰 性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一 旦完成清洗，表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无 其他化学物质的，包括这些的组合。在一个优选的实施方式中，本 发明方法在电极层发生任何污染之前实施随后的沉积过程。当然， 本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
在一个优选实施方式中，本发明方法形成覆盖的电子传输/空穴 闭锁材料1001，如图10所示。在一个具体实施方式中，电子传输/ 空穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输 的合适性能。如所示，根据一个具体实施方式，电子传输/空穴闭锁 材料覆盖电极901，优选该电极是透明的。另外，根据一个具体实 施方式，衬底也是光学透明的。另外，根据一个具体实施方式，电 极和衬底组件不是透明的，也可以包括反射材料，容许电磁辐射向 本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。仅仅作为一个实例，电 子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体， 或任何其他合适的材料，包括材料的组合，分层材料等。在一个具 体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物，包括但 不限于ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3，其他金属氧化物等。当然，也 能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明方法形成覆盖电极层的第一纳 米结构化材料1101(例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳 米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料)，如图12 所示。在一个优选的实施方式中，第一纳米结构化材料在电极层之 上并与之实现物理的电接触。现在参照图12，本发明方法形成覆盖 第一纳米结构化材料以使第一纳米结构化材料与第二纳米结构化 材料相互混合的第二纳米结构化材料1201(例如纳米粒子、量子点、 量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳 米孔材料)。
在一个具体实施方式中，纳米结构化材料能够具有一定几何形 状和/或尺寸。纳米结构化材料能够包括，除别的之外，纳米粒子、 量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳 米带、纳米孔材料，包括这些的组合等。在一个具体实施方式中， 本发明方法能够形成某些类别中的纳米结构化材料如纳米孔、纳米 柱、纳米管、纳米粒子、这些的任意组合等。形成这些纳米结构化 材料的方法的更详细的细节能够在本发明整个说明书和以下更具 体的内容中找到。
再参照附图12，本发明方法形成通过第一纳米结构化材料和第 二纳米结构化材料提供的混合区域1205。在一个具体实施方式中， 混合区域经过处理以提供第一纳米结构化材料处于第一电子亲和 势和第一电离势而第二纳米结构化材料处于第二电子亲和势和第 二电离势。根据实施方式不同，本发明方法能够分开或同时对这些 两种纳米结构化材料进行处理，而使第一电子亲和势低于第二电子 亲和势，以提供包括混合区域的本发明光生伏打器件。在一个优选 实施方式中，第一电离势低于第二电离势。在一个优选实施方式中， 第二电子亲和势低于第一电离势。另外，根据一个优选的实施方式， 本发明光生伏打器件具有的对于包括波长为约400nm至约700nm 范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数特征化了第一纳米结构 化材料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种。
在一个优选实施方式中，本发明方法形成空穴传输/电子闭锁的 覆盖材料1301，如图13所示。在一个具体实施方式中，空穴传输/ 电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输 的合适性能。如所示，根据一个具体实施方式，空穴传输/电子闭锁 材料覆盖混合区域，尤其是第二纳米结构化材料。在一个具体实施 方式中，空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物，IV族半导 体材料，IV-IV族半导体材料，金属硫化物，铜化合物，有机半导体， 这些的组合，其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式 中，空穴传输/电子闭锁材料选自NiO，Cu2O，Si，Ge，SiGe合金，Cu2S， CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc，这些的组合，其可以是复合的和/或分层 的等。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构 化材料和电子接收电极之间，这将在以下进行更全面的描述。在一 个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载 流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料，而在电子传输/空穴闭 锁材料传输。在一个可选的实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料位 于纳米结构化材料和空穴接收电极之间，这在先前已经进行了描 述。根据一个具体实施方式，通过纳米结构化材料光学吸收产生正 电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料，而在空穴传输/ 电子闭锁材料传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
再参照图13，本发明方法形成覆盖第二纳米结构化材料的电极 结构1305。如所示，根据一个具体实施方式，电极结构覆盖空穴传 输/电子闭锁材料的表面区域。在一个具体实施方式中，电极结构能 够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机 材料或这些的组合等。根据实施方式不同，电极结构能够是光学透 明的或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修 改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分层结 构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低 (或更高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转 故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够 是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂 氧化锡，这些的任意组合等，这要根据具体的实施方式而定。在一 个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要 求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不 超过约100欧姆-厘米。根据实施方式不同，能够执行其他步骤。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所 示，该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应 用的纳米复合物材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提 供于步骤添加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏 离此处权利要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本 发明方法和结构的更详细的细节能够在本发明整个说明书和以下 更具体的内容中找到。
图14是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打 器件可替代的纳米结构化材料1400的简图。该图仅仅是一个实例， 不应该不适当地限制此处权利要求的范围。普通的技术员将会认知 其他的变体、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件是由例如纳 米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳 米壳、纳米带、纳米孔材料的纳米结构化材料制成的。在一个具体 实施方式中，本发明器件包括衬底组件1401。该衬底组件包括一个 覆盖表面区域。在一个具体实施方式中，该衬底组件能够是绝缘体、 导体或半导体，包括这些的任何组合等。在一个具体实施方式中， 绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质和/或复合和/或 分层材料的类型。在一个具体实施方式中，导体能够是金属、金属 合金或这些的任意组合等。另外，衬底组件能够是半导体材料，如 硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然，也能够有其 他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底 组件表面区域的电极结构1403。在一个具体实施方式中，电极结构 能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有 机材料或这些的组合等。根据实施方式不同，电极层能够是光学透 明的或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修 改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分层结 构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低 (或较高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转 故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够 是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂 氧化锡，这些的任意组合等，这要根据具体的实施方式而定。在一 个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要 求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不 超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中，本发明光生伏打器件具有覆盖的电 子传输/空穴闭锁材料1405。在一个具体实施方式中，电子传输/空 穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的 合适性能。如所示，电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极1403，该电 极优选是透明的。另外，根据一个具体实施方式，衬底组件也是光 学透明的。另外，根据一个具体实施方式，电极和衬底组件组件不 是透明的，也可以包括反射材料，其容许电磁辐射向本发明光生伏 打器件的活性区域反射回来。在一个优选的实施方式中，电子传输 /空穴闭锁材料是纳米结构化基的。也就是，电子传输空穴闭锁材料 能够由物理结构制成，包括但不限于，纳米粒子、量子点、量子线、 纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料， 包括其组合，分层的结构等。当然，也能够有其他变体、修改和替 代。
另外，电子传输/空穴闭锁材料能够由合适的物质制成。仅仅作 为一个实例，电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化 物、有机半导体，或任何其他合适的材料，包括材料的组合，分层 材料等。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料能够是金 属氧化物，包括但不限于ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3，其他金属氧 化物等。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖电子传 输/空穴闭锁材料1405的纳米结构化材料1407。在一个优选的实施 方式中，纳米结构化材料电耦合于电极层。根据一个具体实施方式， 纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同，纳米 结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、 纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这些的任意组合 等的多个纳米结构组成。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，纳米结构化材料由合适的复合物、均 质材料或异质材料，包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体 实施方式中，纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、 硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施 方式不同，半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其 他实施方式中，该材料能够由金属氧化物物质制成。作为一个实例， 金属氧化物能够是ZnO，TiO2，SnO2，WO3，CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3， 这些的组合等。在其他一般实施方式中，纳米结构化材料选自金属 硫化物，例如Cu2S，FeS，FeS2，SnS，SnS2，ZnS，这些的组合等。另外， 纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质如FeSi2组成的半导体材 料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中，纳米结构化材料能够具有采用一种或多种 材料的一定空间形态。作为一个实例，纳米结构化材料由选自IV 族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。 在一个可替代实施方式中，纳米结构化材料由选自Si，Ge，SiGe合 金的纳米柱组成。在其他实施方式中，纳米结构化材料由选自ZnO， FeO，Fe2O3，CuO，Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中， 纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金 属氧化物等的纳米管组成。在其他实施方式中，在其他实施方式中， 纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。另外，纳米结构化材料 由选自FeS2，SnS，SnS2，ZnS，Cu2S或其他的纳米结构金属硫化物组 成。还有可替代地，纳米结构化材料可以包括由含有IV族半导体 物质如FeSi2等的半导体材料。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
根据实施方式不同，纳米结构化材料能够具有某些空间形状。 作为一个实例，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约5000nm。在 一个可替代实施方式中，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约 1000nm。还有，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约500nm。另 外，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约100nm。在其他实施方式 中，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约50nm。当然，也能够有 其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件也具有特征化纳 米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施 方式，第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材 料，而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材 料。在一个优选实施方式中，第三电子亲和势和第三电离势分别低 于第一电子亲和势和第一电离势，而第一电子亲和势和第一电离势 分别低于第二电子亲和势和第二电离势。在一个优选实施方式中， 第二电子亲和势低于第三电离势。在一个优选的实施方式中，纳米 结构化材料对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸 收系数为至少103cm-1。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件具有特征化纳米 结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势 和电离势。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子 亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势 至少约100eV，而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于 空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在 其它实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分 别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV，而纳 米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁 材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中，电 子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化 材料的电子亲和势和电离势至少约500eV，而纳米结构化材料的电 子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势 和电离势至少约500eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料以能带隙为特征。根 据一个具体实施方式，纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约 2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中，纳米结构化材料的能带 隙为约1.2eV至约1.8eV。另外，纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV 至约1.6eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁 材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一 个具体实施方式，纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材 料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6 cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中，纳米结构化材料 的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输 /电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。 在其他实施方式中，纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/ 空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移 率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。
如所示，根据一个具体实施方式，本发明光生伏打器件通过纳 米结构化材料光学吸收产生的正电荷载流子和负电荷载流子，在纳 米结构化材料和电子传输/空穴闭锁材料之间以及纳米结构化材料 和穴闭传输/电子空锁材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在 具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输，而正电荷载流子在 具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式 中，电荷载流子经历电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁 材料中的绝大部分载流子传输。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个优选实施方式中，本发明器件具有覆盖的空穴传输/电子 闭锁材料1409。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料 具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性能。如 所示，根据一个具体实施方式，空穴传输/电子闭锁材料覆盖纳米结 构化材料。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料能够选 自金属氧化物，IV族半导体材料，IV-IV族半导体材料，金属硫化 物，铜化合物，有机半导体，这些的组合，其可以是复合的和/或分 层的等。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料选自NiO， Cu2O，Si，Ge，SiGe合金，Cu2S，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc，这些的组 合，其可以是复合的和/或分层的等。当然，也能够有其他变体、修 改和替代。
在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构 化材料和电子接收电极之间，这将在以下进行更全面的描述。在一 个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载 流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料，而在电子传输/空穴闭 锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中，空穴传输/电子闭锁材 料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间，这在先前已经进行了 描述。根据一个具体实施方式，通过纳米结构化材料光学吸收产生 正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料，而在空穴传输 /电子闭锁材料中传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传 输/电子闭锁材料表面区域的电极结构1411。在一个具体实施方式 中，电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能 够是金属，有机材料，或这些的组合等。根据实施方式不同，电极 结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能 够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，以及分层 结构等。另外，电极层能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或 较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障 的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够是金 属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂氧化 锡，这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而定。 在一个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于 所要求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米 或不超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。 制作本发明器件的方式的更详细细节能够在本发明整个说明书和 以下更具体的内容中找到。
根据本发明一个可替代实施方式用于形成本发明光生伏打器 件的纳米复合物材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃)；
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波)；
3.形成覆盖表面区域的电极层；
4.形成覆盖电极层的电子传输/空穴闭锁材料；
5.形成覆盖电子传输/空穴闭锁材料的纳米结构化材料(例如 纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、 纳米壳、纳米带、纳米孔材料)；
6.形成覆盖纳米结构化材料的空穴传输/电子闭锁材料；
7.形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料的电极结构；
8.按照需要，实施其他步骤；和
9.提供光学吸收系数至少特征化纳米结构化材料且对于包括 波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的本发明光 生伏打器件。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所 示，该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应 用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的 方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一 个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的 不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节 能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图15至图18是举例说明根据本发明一个可替代的实施方式制 造本发明光生伏打器件纳米结构化材料的可替代方法的简图。该图 仅仅是一个实例，不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普 通技术员能认知其他变化、修改和替代。如所示，本发明方法以提 供衬底组件1501开始。衬底组件包括覆盖的表面区域1502。在一 个具体的实施方式中，衬底组件能够是绝缘体、导体或半导体，包 括这些的任意组合等。在一个具体实施方式中，绝缘体能够是玻璃、 石英、塑料、陶瓷或其他均质的和/或复合的和/或分层的材料的类 型。在一个具体实施方式中，导体能够是金属、金属合金、有机材 料或这些的任意组合等。另外，衬底组件能够是半导体材料，如硅、 硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然，也能够有其他变 体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本方法包括一个清洗过程，采用一种 或多种合适的技术清洗表面区域。在一个具体实施方式中，清洗过 程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括，除了 别的以外，RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙 醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。清洗过程也能包括采 用超清洁水如去离子水和/或基本无微粒的水。在其它实施方式中， 清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其 他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗，表面区域基本上 无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质，包括这些的组 合。当然，本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
再参照图15，本发明方法包括形成覆盖表面区域的电极层 1503。在一些实施方式中，电极层可以通过传统沉积方法如溅射法、 蒸发沉积法和溶液沉积法形成。如所示，电极结构覆盖了衬底组件 的表面区域。在一个具体实施方式中，电极结构能够用合适的材料 或材料组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合 等。根据实施方式不同，电极层能够是光学透明的或阻光的材料或 光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、镍、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分 层结构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在 一个具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较 低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转 故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够 是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂 氧化锡，这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而 定。在一个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率 低于所要求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆- 厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
可选地，本发明方法可以包括在电极层形成之后的一个清洗过 程。在一个具体实施方式中，清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。 这种湿清洗技术的实例包括，除了别的以外，RCA清洗、湿浸渍清 洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行 有机冲洗。该清洗过程也能包括超清洁水如去离子水和/或基本无粒 子的水。在其他实施方式中，清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰 性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一 旦完成清洗，表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无 其他化学物质的，包括这些的组合。在一个优选的实施方式中，本 发明方法在电极层发生任何污染之前实施随后的沉积过程。当然， 本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
在一个优选实施方式中，本发明方法形成电子传输/空穴闭锁材 料1505，如图15所示。在一个具体实施方式中，该材料具有有利 于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示，根 据一个具体实施方式，电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极1503，优 选该电极是透明的。另外，根据一个具体实施方式，衬底也是光学 透明的。另外，根据一个具体实施方式，电极和衬底组件不是透明 的，也可以包括反射材料，容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的 活性区域反射回来。仅仅作为一个实例，电子传输/空穴闭锁材料能 够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体，或任何其他合适的材 料，包括材料的组合，分层材料等。在一个具体实施方式中，电子 传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物，包括但不限于ZnO，TiO2， SnO2，WO3，Fe2O3，其他金属氧化物等。当然，也能够有其他变体、 修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖电子传 输/空穴闭锁材料1505的纳米结构化材料1601，如图16所示。在 一个优选的实施方式中，纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区 域。根据一个具体实施方式，纳米结构化材料具有一个平面表面区 域。根据实施方式不同，纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、 量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳 米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。当然，也能够 有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，纳米结构化材料由合适的复合物、均 质材料或异质材料，包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体 实施方式中，纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、 硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施 方式不同，半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其 他实施方式中，该材料由金属氧化物物质制成。作为一个实例，金 属氧化物能够是ZnO，TiO2，SnO2，WO3，CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，这 些的组合等。在其它普通实施方式中，纳米结构化材料选自金属硫 化物，例如Cu2S，FeS，FeS2，SnS，SnS2，ZnS，可替代地，纳米结构化 材料能够是由IV族半导体物质例如FeSi2等组成的半导体材料。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中，纳米结构化材料能够具有采用一种或多种 材料的一定空间形态。作为一个实例，纳米结构化材料由选自IV 族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。 在一个可替代实施方式中，纳米结构化材料由选自Si，Ge，SiGe合 金的纳米柱组成。在其他实施方式中，纳米结构化材料由选自ZnO， FeO，Fe2O3，CuO，Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中， 纳米结构化材料由选自IV族半导体材料，IV-IV族半导体材料和金 属氧化物的纳米管组成。在其他实施方式中，纳米结构化材料由 TiO2构成的纳米管组成。另外，纳米结构化材料可以由纳米结构化 金属硫化物如FeS2，SnS，SnS2，ZnS，Cu2S等组成。在某些实施方式 中，纳米结构化材料能够包括由IV族半导体物质如FeSi2组成的半 导体材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同，纳米结构化材料能够具有某些空间形状。 作为一个实例，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约5000nm。在 一个可替代实施方式中，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约 1000nm。还有，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约500nm。另 外，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约100nm。在其他实施方式 中，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约50nm。当然，也能够有 其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件也具有特征化纳 米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施 方式，第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材 料，而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材 料。在一个优选的实施方式中，第三电子亲和势和第三电离势分别 小于第一电子亲和势和第一电离势，而第一电子亲和势和第一电离 势分别小于第二电子亲和势和第二电离势。在一个优选实施方式 中，第二电子亲和势小于第三电离势。在一个优选的实施方式中， 纳米结构化材料也具有对于包括波长为约400nm至约700nm范围 内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。当然，也能够有其他变体、 修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件具有特征化纳米 结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势 和电离势。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子 亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势 至少约100eV，而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于 空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在 其它实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分 别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV，而纳 米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁 材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中，电 子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化 材料的电子亲和势和电离势至少约500eV，而纳米结构化材料的电 子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势 和电离势至少约500eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料以能带隙为特征。根 据一个具体实施方式，纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约 2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中，纳米结构化材料的能带 隙为约1.2eV至约1.8eV。另外，纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV 至约1.6eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料、空穴传输/电子闭锁 材料和电子传输/空穴闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一 个具体实施方式，纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材 料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6 cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中，纳米结构化材料 的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输 /电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。 在其他实施方式中，纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/ 空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移 率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。
根据一个具体实施方式，本发明光生伏打器件通过纳米结构化 材料光学吸收产生的正电荷载流子和负电荷载流子，在纳米结构化 材料和电子传输/空穴闭锁材料之间以及纳米结构化材料和空穴传 输/电子闭锁材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大 电子亲和势的纳米结构化材料中传输，而正电荷载流子在具有较小 电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中，电荷载 流子经历电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料中的绝 大部分载流子传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中，该方法形成覆盖的空穴传输/电子闭锁 材料1701，如图17所示。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子 闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合 适性能。如所示，根据一个具体实施方式，空穴传输/电子闭锁材料 覆盖纳米结构化材料。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁 材料能够选自金属氧化物，IV族半导体材料，IV-IV族半导体材料， 金属硫化物，铜化合物，有机半导体，这些的组合，其可以是复合的 和/或分层的等。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料 选自NiO，Cu2O，Si，Ge，SiGe合金，Cu2S，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc， 这些的组合，其可以是复合的和/或分层的等。当然，也能够有其他 变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构 化材料和电子接收电极之间，这将在以下进行更全面的描述。在一 个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载 流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料，而在电子传输/空穴闭 锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中，空穴传输/电子闭锁材 料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间，这在先前已经进行了 描述。根据一个具体实施方式，通过纳米结构化材料光学吸收产生 正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料，而在空穴传输 /电子闭锁材料中传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
参照图18，本发明方法形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面 区域的电极结构1703。在一个具体实施方式中，电极结构能够由合 适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属，有机材料， 或这些的组合等。根据实施方式不同，电极结构能够是光学透明的 或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，以及分层 结构等。另外，电极层能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低电 阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任何 扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够是金属氧化 物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂氧化锡，这 些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而定。在一个 具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要求 的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超 过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所 示，该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应 用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的 方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一 个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的 不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节 能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图19是举例说明根据本发明一个的实施方式的本发明光生伏 打器件的还有一种可替代的纳米结构化材料1900的简图。该图仅 仅是一个实例，不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通 技术员能认知其他变化、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件 是由例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、 量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料组成的纳米结构化材料制成 的。在一个具体实施方式中，本发明器件包括衬底组件1901。该衬 底组件包括一个覆盖表面区域。在一个具体实施方式中，该衬底组 件能够是绝缘体、导体或半导体，包括这些的任何组合等。在一个 具体实施方式中，绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均 质和/或复合和/或分层材料的类型。在一个具体实施方式中，导体 能够是金属、金属合金或这些的任意组合等。另外，衬底组件能够 是半导体材料，如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。 当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底 组件表面区域的电极层1903。在一个具体实施方式中，电极层能够 由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材 料或这些的组合等。根据实施方式不同，电极层能够是光学透明的 或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分层结 构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或 较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障 的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够是金 属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂氧化 锡，这些的任意组合等，这要根据具体的实施方式而定。在一个具 体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要求的 数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超过 约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中，本发明光生伏打器件具有覆盖的电 子传输/空穴闭锁材料1905。在一个具体实施方式中，电子传输/空 穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的 合适性能。如所示，电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极1903，该电 极优选是透明的。另外，根据一个具体实施方式，衬底组件也是光 学透明的。另外，根据一个具体实施方式，电极和衬底组件组件不 是透明的，也可以包括反射材料，其容许电磁辐射向本发明光生伏 打器件的活性区域反射回来。在一个优选的实施方式中，电子传输 /空穴闭锁材料是纳米结构化基的。也就是，电子传输空穴闭锁材料 能够由物理结构制成，包括但不限于，纳米粒子、量子点、量子线、 纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料， 包括其组合，分层的结构等。当然，也能够有其他变体、修改和替 代。
另外，电子传输/空穴闭锁材料能够由合适的物质制成。仅仅作 为一个实例，电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化 物、有机半导体，或任何其他合适的材料，包括材料的组合，分层 材料等。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料能够是金 属氧化物，包括但不限于ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3，其他金属氧 化物等。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖电子传 输/空穴闭锁材料1905的纳米结构化材料1907。在一个优选的实施 方式中，纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区域。根据一个具 体实施方式，纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方 式不同，纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米 柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这 些的任意组合等的多个纳米结构组成。在一个优选的实施方式中， 纳米结构化材料是薄层，与电子传输/空穴闭锁材料的表面一致。在 一个具体实施方式中，纳米结构化材料对于半导体材料如硅、硅- 锗合金而言低于约50nm。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，纳米结构化材料由合适的复合物、均 质材料或异质材料，包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体 实施方式中，纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、 硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施 方式不同，半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其 他实施方式中，该材料能够由金属氧化物物质制成。作为一个实例， 金属氧化物能够是ZnO，TiO2，SnO2，WO3，CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3， 这些的组合等。在其他一般实施方式中，纳米结构化材料选自金属 硫化物，例如Cu2S，FeS，FeS2，SnS，SnS2，ZnS，这些的组合等。另外， 纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质如FeSi2组成的半导体材 料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中，纳米结构化材料能够纳米结构化材料能够 具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例，纳米结 构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化 物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中，纳米结构化材料由 选自Si，Ge，SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中，纳米结 构化材料由选自ZnO，FeO，Fe2O3，CuO，Cu2O的纳米柱组成。在还 有的其他实施方式中，纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、 IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米管组成。在其他实施方 式中，纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在还有的可替代 实施方式中，纳米结构化材料由Cu2S，FeS2，SnS，SnS2，ZnS，除别的 之外的纳米结构化金属硫化物组成。还有可替代地，纳米结构化材 料可以包括由含有IV族半导体物质如FeSi2等的半导体材料。当然， 也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同，纳米结构化材料与电子闭锁/空穴传输材料 的性质一致，能够具有某些空间形状。作为一个实例，纳米结构化 材料的厚度为约1nm至约100nm。在一个可替代实施方式中，纳米 结构化材料的厚度为约1nm至约75nm。还有，纳米结构化材料的 厚度为约1nm至约50nm。另外，纳米结构化材料的厚度为约1nm 至约25nm。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件也具有特征化纳 米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施 方式，第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材 料，而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材 料。在一个优选实施方式中，第三电子亲和势和第三电离势分别低 于第一电子亲和势和第一电离势，第一电子亲和势和第一电离势分 别低于第二电子亲和势和第二电离势，而第二电子亲和势低于第三 电离势。在一个优选的实施方式中，纳米结构化材料对于包括波长 约400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件具有特征化纳米 结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势 和电离势。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子 亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势 至少约100eV，而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于 空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在 其它实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分 别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV，而纳 米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁 材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中，电 子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化 材料的电子亲和势和电离势至少约500eV，而纳米结构化材料的电 子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势 和电离势至少约500eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料以能带隙为特征。根 据一个具体实施方式，纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约 2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中，纳米结构化材料的能带 隙为约1.2eV至约1.8eV。另外，纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV 至约1.6eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁 材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一 个具体实施方式，纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材 料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6 cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中，纳米结构化材料 的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输 /电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。 在其他实施方式中，纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/ 空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移 率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。
如所示，根据一个具体实施方式，本发明光生伏打器件通过纳 米结构化材料光学吸收产生的正电荷载流子和负电荷载流子，在纳 米结构化材料和电子传输/空穴闭锁材料之间以及纳米结构化材料 和穴闭传输/电子空锁材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在 具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输，而正电荷载流子在 具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式 中，电荷载流子经历电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁 材料中的绝大部分载流子传输。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个优选实施方式中，本发明光生伏打器件具有空穴传输/ 电子闭锁材料1909。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁 材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合适性 能。如所示，根据一个具体实施方式，空穴传输/电子闭锁材料覆盖 纳米结构化材料。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料 能够选自金属氧化物，IV族半导体材料，IV-IV族半导体材料，金 属硫化物，铜化合物，有机半导体，这些的组合，其可以是复合的和 /或分层的等。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料选 自NiO，Cu2O，Si，Ge，SiGe合金，Cu2S，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc，这 些的组合，其可以是复合的和/或分层的等。当然，也能够有其他变 体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构 化材料和电子接收电极之间，这将在以下进行更全面的描述。在一 个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载 流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料，而在电子传输/空穴闭 锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中，空穴传输/电子闭锁材 料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间，这在先前已经进行了 描述。根据一个具体实施方式，通过纳米结构化材料光学吸收产生 正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料，而在空穴传输 /电子闭锁材料中传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传 输/电子闭锁材料表面区域的电极结构1911。在一个具体实施方式 中，电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能 够是金属，有机材料，或这些的组合等。根据实施方式不同，电极 结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能 够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，以及分层 结构等。另外，电极结构能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一 个具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低 或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故 障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层，电极材料能 够是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺 杂氧化锡，这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式 而定。在一个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻 率低于所要求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆 -厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。制作本发明器件的方式的更详细细节能够在本发明整个说 明书和以下更具体的内容中找到。
根据本发明一个可替代实施方式用于形成本发明光生伏打器 件的纳米复合物材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃)；
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波)；
3.形成覆盖表面区域的电极层；
4.形成覆盖电极层的电子传输/空穴闭锁材料；
5.形成覆盖电子传输/空穴闭锁材料的共形纳米结构化材料(例 如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、 纳米壳、纳米带、纳米孔材料)；
6.形成覆盖纳米结构化材料的空穴传输/电子闭锁材料；
7.形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料的电极结构；
8.按照需要，实施其他步骤；和
9.提供光学吸收系数至少特征化纳米结构化材料且对于包括 波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的本发明光 生伏打器件。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所 示，该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应 用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的 方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一 个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的 不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节 能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图20至图22是举例说明根据本发明一个可替代的实施方式制 造本发明光生伏打器件纳米结构化材料还有的一个可替代方法的 简图。这些图仅仅是实例，不应该不合适地限制本文中权利要求的 范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。如所示，本发明 方法以提供衬底组件2001开始。衬底组件包括覆盖的表面区域 2002。在一个具体的实施方式中，衬底组件能够是绝缘体、导体或 半导体，包括这些的任意组合等。在一个具体实施方式中，绝缘体 能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质的和/或复合的和/或分 层的材料的类型。在一个具体实施方式中，导体能够是金属、金属 合金、有机材料或这些的任意组合等。另外，衬底组件能够是半导 体材料，如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然， 也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本方法包括一个清洗过程，采用一种 或多种合适的技术清洗表面区域。在一个具体实施方式中，清洗过 程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括，除了 别的以外，RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙 醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。清洗过程也能包括采 用超清洁水如去离子水和/或基本无微粒的水。在其它实施方式中， 清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其 他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗，表面区域基本上 无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质，包括这些的组 合。当然，本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
再参照图20，本发明方法包括形成覆盖表面区域的电极层 2003。在一些实施方式中，电极层可以通过传统沉积方法如溅射法、 蒸发沉积法和溶液沉积法形成。如所示，电极层覆盖了衬底组件的 表面区域。在一个具体实施方式中，电极结构能够用合适的材料或 材料组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。 根据实施方式不同，电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反 射的材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、镍、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分 层结构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在 一个具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较 低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转 故障的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层，电极材料 能够是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟 掺杂氧化锡，这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方 式而定。在一个具体实施方式中，电极层是导电的，所具有的电阻 率低于所要求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆 -厘米或不超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。
可选地，本发明方法可以包括在电极层形成之后的一个清洗过 程。在一个具体实施方式中，清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。 这种湿清洗技术的实例包括，除了别的以外，RCA清洗、湿浸渍清 洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行 有机冲洗。该清洗过程也能包括超清洁水如去离子水和/或基本无粒 子的水。在其他实施方式中，清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰 性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一 旦完成清洗，表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无 其他化学物质的，包括这些的组合。在一个优选的实施方式中，本 发明方法在电极层发生任何污染之前实施随后的沉积过程。当然， 本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
在一个优选实施方式中，本发明方法形成电子传输/空穴闭锁材 料2005，如图20所示。在一个具体实施方式中，该材料具有有利 于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所示，根 据一个具体实施方式，电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极2003，优 选该电极是透明的。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材 料是纳米结构化材料，其包括表面形态2006，如所示。另外，根据 一个具体实施方式，衬底组件也是光学透明的。另外，根据一个具 体实施方式，电极和衬底组件不是透明的，也可以包括反射材料， 容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。仅仅作 为一个实例，电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化 物、有机半导体，或任何其他合适的材料，包括材料的组合，分层 材料等。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料能够是金 属氧化物，包括但不限于ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3，其他金属氧 化物等。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖电子传 输/空穴闭锁材料＝2005的纳米结构化材料2007，如图21所示。在 一个优选的实施方式中，纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区 域。根据一个具体实施方式，纳米结构化材料具有一个平面表面区 域。根据实施方式不同，纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、 量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳 米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。在一个具体实 施方式中，纳米结构化材料加强了电子传输/空穴闭锁材料的表面， 而并未填充电子传输/空穴闭锁材料的纳米结构化材料中的孔隙。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，纳米结构化材料由合适的复合物、均 质材料或异质材料，包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体 实施方式中，纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、 硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施 方式不同，半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其 他实施方式中，该材料由金属氧化物物质制成。作为一个实例，金 属氧化物能够是ZnO，TiO2，SnO2，WO3，CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，这 些的组合等。在其它普通实施方式中，纳米结构化材料选自金属硫 化物，例如Cu2S，FeS，FeS2，SnS，SnS2，ZnS。可替代地，纳米结构化 材料能够是由IV族半导体物质例如FeSi2等组成的半导体材料。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中，纳米结构化材料能够具有采用一种或多种 材料的一定空间形态。作为一个实例，纳米结构化材料由选自IV 族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。 在一个可替代实施方式中，纳米结构化材料由选自Si，Ge，SiGe合 金的纳米柱组成。在其他实施方式中，纳米结构化材料由选自ZnO， FeO，Fe2O3，CuO，Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中， 纳米结构化材料由选自IV族半导体材料，IV-IV族半导体材料和金 属氧化物的纳米管组成。在其他实施方式中，纳米结构化材料由 TiO2构成的纳米管组成。在还有的可替代实施方式中，纳米结构化 材料可以由纳米结构化金属硫化物如FeS2，SnS，SnS2，ZnS，Cu2S等 组成。另外，纳米结构化材料能够包括由IV族半导体物质如FeSi2 组成的半导体材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同，纳米结构化材料能够具有某些空间形状。 作为一个实例，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约5000nm。在 一个可替代实施方式中，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约 1000nm。还有，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约500nm。另 外，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约100nm。在其他实施方式 中，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约50nm。当然，也能够有 其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件也具有特征化纳 米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施 方式，第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材 料，而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材 料。在一个优选的实施方式中，第三电子亲和势和第三电离势分别 小于第一电子亲和势和第一电离势，而第一电子亲和势和第一电离 势分别小于第二电子亲和势和第二电离势。在一个优选实施方式 中，第二电子亲和势小于第三电离势。在一个优选的实施方式中， 纳米结构化材料也具有对于包括波长为约400nm至约700nm范围 内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。当然，也能够有其他变体、 修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件具有特征化纳米 结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势 和电离势。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子 亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势 至少约100eV，而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于 空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在 其它实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分 别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV，而纳 米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁 材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中，电 子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化 材料的电子亲和势和电离势至少约500eV，而纳米结构化材料的电 子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势 和电离势至少约500eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料以能带隙为特征。根 据一个具体实施方式，纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约 2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中，纳米结构化材料的能带 隙为约1.2eV至约1.8eV。另外，纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV 至约1.6eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁 材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一 个具体实施方式，纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材 料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6 cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中，纳米结构化材料 的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输 /电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。 在其他实施方式中，纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/ 空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移 率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。
根据一个具体实施方式，本发明光生伏打器件通过纳米结构化 材料光学吸收产生的正电荷载流子和负电荷载流子，在纳米结构化 材料和电子传输/空穴闭锁材料之间以及纳米结构化材料和空穴传 输/电子闭锁材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大 电子亲和势的纳米结构化材料中传输，而正电荷载流子在具有较小 电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中，电荷载 流子经历电子传输/空穴闭锁材料和空穴传输/电子闭锁材料中的绝 大部分载流子传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中，该方法形成覆盖的空穴传输/电子闭锁 材料2201，如图22所示。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子 闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合 适性能。如所示，根据一个具体实施方式，空穴传输/电子闭锁材料 覆盖纳米结构化材料。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁 材料具有一个平面的表面区域，而填充了纳米结构化材料中全部的 任何孔穴。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料能够选 自金属氧化物，IV族半导体材料，IV-IV族半导体材料，金属硫化 物，铜化合物，有机半导体，这些的组合，其可以是复合的和/或分 层的等。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料选自NiO， Cu2O，Si，Ge，SiGe合金，Cu2S，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc，这些的组 合，其可以是复合的和/或分层的等。当然，也能够有其他变体、修 改和替代。
在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构 化材料和电子接收电极之间，这将在以下进行更全面的描述。在一 个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载 流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料，而在电子传输/空穴闭 锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中，空穴传输/电子闭锁材 料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间，这在先前已经进行了 描述。根据一个具体实施方式，通过纳米结构化材料光学吸收产生 正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料，而在空穴传输 /电子闭锁材料中传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
参照图22，本发明方法形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面 区域的电极结构2205。在一个具体实施方式中，电极结构能够由合 适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属，有机材料， 或这些的组合等。根据实施方式不同，电极结构能够是光学透明的 或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，以及分层 结构等。另外，电极结构能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一 个具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低 电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任 何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够是金属氧 化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂氧化锡， 这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而定。在一 个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要 求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不 超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所 示，该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应 用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的 方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一 个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的 不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法和器件的更详 细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图23是举例说明根据本发明一个的实施方式的本发明光生伏 打器件的还有一种可替代的纳米结构化材料2300的简图。该图仅 仅是一个实例，不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通 技术员能认知其他变化、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件 是由例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、 量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料组成的纳米结构化材料制成 的。在一个具体实施方式中，本发明器件包括衬底组件2301。该衬 底组件包括一个覆盖表面区域。在一个具体实施方式中，该衬底组 件能够是绝缘体、导体或半导体，包括这些的任何组合等。在一个 具体实施方式中，绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均 质和/或复合和/或分层材料的类型。在一个具体实施方式中，导体 能够是金属、金属合金或这些的任意组合等。另外，衬底组件能够 是半导体材料，如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。 当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底 组件表面区域的电极层2305。在一个具体实施方式中，电极层能够 由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材 料或这些的组合等。根据实施方式不同，电极层能够是光学透明的 或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分层结 构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或 较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障 的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层，电极材料能够 是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂 氧化锡，这些的任意组合等，这要根据具体的实施方式而定。在一 个具体实施方式中，电极层是导电的，所具有的电阻率低于所要求 的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不超 过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中，本发明光生伏打器件具有覆盖的电 子传输/空穴闭锁材料2307。在一个具体实施方式中，电子传输/空 穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的 合适性能。如所示，电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极2305，该电 极优选是透明的。另外，根据一个具体实施方式，衬底组件也是光 学透明的。另外，根据一个具体实施方式，电极和衬底组件组件不 是透明的，也可以包括反射材料，其容许电磁辐射向本发明光生伏 打器件的活性区域反射回来。在一个优选的实施方式中，电子传输 /空穴闭锁材料是纳米结构化基的。也就是，电子传输空穴闭锁材料 能够由物理结构制成，包括但不限于，纳米粒子、量子点、量子线、 纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料， 包括其组合，分层的结构等。当然，也能够有其他变体、修改和替 代。
另外，电子传输/空穴闭锁材料能够由合适的物质制成。仅仅作 为一个实例，电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属氧化 物、有机半导体，或任何其他合适的材料，包括材料的组合，分层 材料等。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料能够是金 属氧化物，包括但不限于ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3，其他金属氧 化物等。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖电子传 输/空穴闭锁材料2307的纳米结构化材料2309。在一个优选的实施 方式中，纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区域。根据一个具 体实施方式，纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方 式不同，纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳米 柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、这 些的任意组合等的多个纳米结构组成。在一个优选的实施方式中， 纳米结构化材料是薄层，与电子传输/空穴闭锁材料的表面一致。在 一个具体实施方式中，纳米结构化材料对于半导体材料如硅、硅- 锗合金而言低于约50nm。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，纳米结构化材料由合适的复合物、均 质材料或异质材料，包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体 实施方式中，纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、 硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施 方式不同，半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其 他实施方式中，该材料能够由金属氧化物物质制成。作为一个实例， 金属氧化物能够是ZnO，TiO2，SnO2，WO3，CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3， 这些的组合等。在其他一般实施方式中，纳米结构化材料选自金属 硫化物，例如Cu2S，FeS，FeS2，SnS，SnS2，ZnS，这些的组合等。另外， 纳米结构化材料能够是由IV族半导体物质如FeSi2组成的半导体材 料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中，纳米结构化材料能够具有采用一种或多种 材料的一定空间形态。作为一个实例，纳米结构化材料由选自IV 族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。 在一个可替代实施方式中，纳米结构化材料由选自Si，Ge，SiGe合 金的纳米柱组成。在其他实施方式中，纳米结构化材料由选自ZnO， FeO，Fe2O3，CuO，Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中， 纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金 属氧化物等的纳米管组成。在其他实施方式中，纳米结构化材料由 TiO2构成的纳米管组成。在某些实施方式中，纳米结构化材料包括 纳米结构化金属硫化物如Cu2S，FeS2，SnS，SnS2，ZnS等。另外，纳 米结构化材料可以包括由含有IV族半导体物质如FeSi2等的半导体 材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同，纳米结构化材料与电子闭锁/空穴传输材料 的性质一致，能够具有某些空间形状。作为一个实例，纳米结构化 材料的厚度为约1nm至约100nm。在一个可替代实施方式中，纳米 结构化材料的厚度为约1nm至约75nm。还有，纳米结构化材料的 厚度为约1nm至约50nm。另外，纳米结构化材料的厚度为约1nm 至约25nm。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件也具有特征化纳 米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施 方式，第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材 料，而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材 料。在一个优选实施方式中，第三电子亲和势和第三电离势分别低 于第一电子亲和势和第一电离势，第一电子亲和势和第一电离势分 别低于第二电子亲和势和第二电离势。在一个优选的实施方式中， 第二电子亲和势低于第三电离势。在一个优选的实施方式中，纳米 结构化材料对于包括波长约400nm至700nm范围内的光的光学吸 收系数为至少103cm-1。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件具有特征化纳米 结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势 和电离势。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子 亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势 至少约100eV，而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于 空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在 其它实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分 别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV，而纳 米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁 材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中，电 子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化 材料的电子亲和势和电离势至少约500eV，而纳米结构化材料的电 子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势 和电离势至少约500eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料以能带隙为特征。根 据一个具体实施方式，纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约 2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中，纳米结构化材料的能带 隙为约1.2eV至约1.8eV。另外，纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV 至约1.6eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁 材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一 个具体实施方式，纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材 料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6 cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中，纳米结构化材料 的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输 /电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。 在其他实施方式中，纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/ 空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移 率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。
如所示，根据一个具体实施方式，本发明器件具有通过纳米结 构化材料光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子，在第一纳米 结构化材料和第二纳米结构化材料之间的界面处发生分离。负电荷 载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输，而正电荷 载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实 施方式中，电荷载流子经历第一纳米结构化材料和第二纳米结构化 材料中的绝大部分载流子传输。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个优选实施方式中，本发明光生伏打器件具有覆盖的空穴 传输/电子闭锁材料2311。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子 闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的合 适性能。如所示，根据一个具体实施方式，空穴传输/电子闭锁材料 覆盖纳米结构化材料。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁 材料能够选自金属氧化物，IV族半导体材料，IV-IV族半导体材料， 金属硫化物，铜化合物，有机半导体，这些的组合，其可以是复合的和/ 或分层的等。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料选自 NiO，Cu2O，Si，Ge，SiGe合金，Cu2S，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc，这些 的组合，其可以是复合的和/或分层的等。当然，也能够有其他变体、 修改和替代。
在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构 化材料和电子接收电极之间，这将在以下进行更全面的描述。在一 个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载 流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料，而在电子传输/空穴闭 锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中，空穴传输/电子闭锁材 料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间，这在先前已经进行了 描述。根据一个具体实施方式，通过纳米结构化材料光学吸收产生 正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料，而在空穴传输 /电子闭锁材料中传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传 输/电子闭锁材料表面区域的电极结构2313。在一个具体实施方式 中，电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能 够是金属，有机材料，或这些的组合等。根据实施方式不同，电极 结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能 够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，以及分层 结构等。另外，电极结构能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一 个具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低 或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故 障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够是 金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂氧 化锡，这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而定。 在一个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于 所要求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米 或不超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。 制作本发明器件的方法更详细的细节能够在整个本申请和以下更 具体的内容中找到。
根据本发明一个可替代实施方式用于形成本发明光生伏打器 件的纳米复合物材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃)；
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波)；
3.形成覆盖表面区域的电极层；
4.形成覆盖电极层的电子传输/空穴闭锁材料；
5.形成覆盖电子传输/空穴闭锁材料的同形纳米结构化材料(例 如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、 纳米壳、纳米带、纳米孔材料)；
6.形成覆盖纳米结构化材料的空穴传输/电子闭锁材料；
7.形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料的电极结构；
8.按照需要，实施其他步骤；和
9.提供光学吸收系数至少特征化纳米结构化材料且对于包括 波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1的本发明光 生伏打器件。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所 示，该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应 用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的 方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一 个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的 不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节 能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图24至图25是举例说明根据本发明一个可替代的实施方式制 造本发明光生伏打器件纳米结构化材料还有的一个可替代方法的 简图。该图仅仅是一个实例，不应该不合适地限制本文中权利要求 的范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。如所示，本发 明方法以提供表面区域2302的衬底组件2301开始。衬底组件包括 覆盖的表面区域。在一个具体的实施方式中，衬底组件能够是绝缘 体、导体或半导体，包括这些的任意组合等。在一个具体实施方式 中，绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质的和/或复合 的和/或分层的材料的类型。在一个具体实施方式中，导体能够是金 属、金属合金、有机材料或这些的任意组合等。另外，衬底组件能 够是半导体材料，如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。 当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本方法包括一个清洗过程，采用一种 或多种合适的技术清洗表面区域。在一个具体实施方式中，清洗过 程能够包括湿和/或干清洗技术。这种湿清洗技术的实例包括，除了 别的以外，RCA清洗、湿浸渍清洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙 醇、乙醇、这些的任意组合等进行有机冲洗。清洗过程也能包括采 用超清洁水如去离子水和/或基本无微粒的水。在其它实施方式中， 清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰性气体物质如氮气、氩气和其 他合适的气体等的等离子体清洗。一旦完成清洗，表面区域基本上 无微粒、无有机污染物、无金属和无其他化学物质，包括这些的组 合。当然，本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
再参照图24，本发明方法包括形成覆盖表面区域的电极层 2301。在一些实施方式中，电极层可以通过传统沉积方法如溅射法、 蒸发沉积法和溶液沉积法形成。如所示，电极层覆盖了衬底组件的 表面区域。在一个具体实施方式中，电极结构能够用合适的材料或 材料组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这些的组合等。 根据实施方式不同，电极层能够是光学透明的或阻光的材料或光反 射的材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、镍、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分 层结构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在 一个具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较 低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转 故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够 是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂 氧化锡，这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而 定。在一个具体实施方式中，电极层是导电的，所具有的电阻率低 于所要求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘 米或不超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替 代。
可选地，本发明方法可以包括在电极层形成之后的一个清洗过 程。在一个具体实施方式中，清洗过程能够包括湿和/或干清洗技术。 这种湿清洗技术的实例包括，除了别的以外，RCA清洗、湿浸渍清 洗、用溶剂如丙酮和/或醇如异丙醇、乙醇、这些的任意组合等进行 有机冲洗。该清洗过程也能包括超清洁水如去离子水和/或基本无粒 子的水。在其他实施方式中，清洗过程也能包括采用氧化物和/或惰 性气体物质如氮气、氩气和其他合适的气体等的等离子体清洗。一 旦完成清洗，表面区域基本上无微粒、无有机污染物、无金属和无 其他化学物质的，包括这些的组合。在一个优选的实施方式中，本 发明方法在电极层发生任何污染之前实施随后的沉积过程。当然， 本领域的普通技术员会认知其他变化、修改和替代。
在一个优选实施方式中，本发明方法形成覆盖的电子传输/空穴 闭锁材料2305，如图24所示。在一个具体实施方式中，该材料具 有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的合适性能。如所 示，根据一个具体实施方式，电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极2301， 优选该电极是透明的。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁 材料是纳米结构化材料，其包括平面表面形态，如所示。另外，根 据一个具体实施方式，衬底组件也是光学透明的。另外，根据一个 具体实施方式，电极层和衬底组件不是透明的，也可以包括反射材 料，容许电磁辐射向本发明光生伏打器件的活性区域反射回来。仅 仅作为一个实例，电子传输/空穴闭锁材料能够是无机半导体、金属 氧化物、有机半导体，或任何其他合适的材料，包括材料的组合， 分层材料等。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料能够 是金属氧化物，包括但不限于ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3，其他金 属氧化物等。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖电子传 输/空穴闭锁材料2307的纳米结构化材料2309，如图24所示。在 一个优选的实施方式中，纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区 域。根据一个具体实施方式，纳米结构化材料具有一个平面表面区 域。根据实施方式不同，纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、 量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳 米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。在一个具体实 施方式中，纳米结构化材料加强了电子传输/空穴闭锁材料，而并未 填充电子传输/空穴闭锁材料的纳米结构化材料中的孔隙。当然，也 能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，纳米结构化材料由合适的复合物、均 质材料或异质材料，包括分层材料、分级材料等制成。在一个具体 实施方式中，纳米结构化材料由半导体材料例如IV族(例如硅、 硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V族、这些的组合等组成。根据实施 方式不同，半导体材料能够是无机半导体或有机半导体材料。在其 他实施方式中，该材料由金属氧化物物质制成。作为一个实例，金 属氧化物能够是ZnO，TiO2，SnO2，WO3，CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，这 些的组合等。在其它普通实施方式中，纳米结构化材料选自金属硫 化物，例如Cu2S，FeS，FeS2，SnS，SnS2，ZnS，可替代地，纳米结构化 材料能够是由IV族半导体物质例如FeSi2等组成的半导体材料。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中，纳米结构化材料能够纳米结构化材料能够 具有采用一种或多种材料的一定空间形态。作为一个实例，纳米结 构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化 物等的纳米柱组成。在一个可替代实施方式中，纳米结构化材料由 选自Si，Ge，SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中，纳米结 构化材料由选自ZnO，FeO，Fe2O3，CuO，Cu2O的纳米柱组成。在还 有的其他实施方式中，纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、 IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米管组成。在其他实施方 式中，纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在某些实施方式 中，纳米结构化材料包括纳米结构化金属硫化物如Cu2S，FeS2，SnS， SnS2，ZnS等。另外，纳米结构化材料可以包括由含有IV族半导体 物质如FeSi2等的半导体材料。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在其他实施方式中，纳米结构化材料能够具有采用一种或多种 材料的一定空间形态。作为一个实例，纳米结构化材料由选自IV 族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组成。 在一个可替代实施方式中，纳米结构化材料由选自Si，Ge，SiGe合 金的纳米柱组成。在其他实施方式中，纳米结构化材料由选自ZnO， FeO，Fe2O3，CuO，Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他实施方式中， 纳米结构化材料由选自IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金 属氧化物等的纳米管组成。在其他实施方式中，纳米结构化材料由 TiO2构成的纳米管组成。还有可替代地，纳米结构化材料包括纳米 结构化金属硫化物如Cu2S，FeS2，SnS，SnS2，ZnS，除别的之外的。 纳米结构化材料也可以包括由含有IV族半导体物质如FeSi2等的半 导体材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同，纳米结构化材料能够具有某些空间形状。 作为一个实例，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约5000nm。在 一个可替代实施方式中，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约 1000nm。还有，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约500nm。另 外，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约100nm。在其他实施方式 中，纳米结构化材料的厚度为约1nm至约50nm。当然，也能够有 其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件也具有特征化纳 米结构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施 方式，第二电子亲和势和第二电离势特征化电子传输/空穴闭锁材 料，而第三电子亲和势和第三电离势特征化空穴传输/电子闭锁材 料。在一个优选实施方式中，第三电子亲和势和第三电离势分别低 于第一电子亲和势和第一电离势，第一电子亲和势和第一电离势分 别低于第二电子亲和势和第二电离势，第二电子亲和势低于第三电 离势。在一个优选的实施方式中，纳米结构化材料对于包括波长约 400nm至700nm范围内的光的光学吸收系数为至少103cm-1。当然， 也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件具有特征化纳米 结构化材料和每一载流子传输/载流子闭锁材料的一定电子亲和势 和电离势。在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子 亲和势和电离势分别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势 至少约100eV，而纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于 空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势和电离势至少约100eV。在 其它实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分 别大于纳米结构化材料的电子亲和势和电离势至少约300eV，而纳 米结构化材料的电子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁 材料的电子亲和势和电离势至少约300eV。在其它实施方式中，电 子传输/空穴闭锁材料的电子亲和势和电离势分别大于纳米结构化 材料的电子亲和势和电离势至少约500eV，而纳米结构化材料的电 子亲和势和电离势分别大于空穴传输/电子闭锁材料的电子亲和势 和电离势至少约500eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料以能带隙为特征。根 据一个具体实施方式，纳米结构化材料的能带隙为约1.0eV至约 2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中，纳米结构化材料的能带 隙为约1.2eV至约1.8eV。另外，纳米结构化材料的能带隙为约1.3eV 至约1.6eV。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁 材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种都具有载流子迁移率。根据一 个具体实施方式，纳米结构化材料的载流子、电子传输/空穴闭锁材 料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-6 cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中，纳米结构化材料 的载流子迁移率、电子传输/空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输 /电子闭锁材料的空穴迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。 在其他实施方式中，纳米结构化材料的载流子迁移率、电子传输/ 空穴闭锁材料的电子迁移率和空穴传输/电子闭锁材料的空穴迁移 率为约1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。
在一个具体实施方式中，本发明器件具有通过纳米结构化材料 光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子，在纳米结构化材料和 电子传输/空穴闭锁材料以及纳米结构化材料和空穴传输/电子闭锁 材料之间的界面处发生分离。负电荷载流子在具有较大电子亲和势 的纳米结构化材料中传输，而正电荷载流子在具有较小电离势的纳 米结构化材料中传输。在一个具体实施方式中，电荷载流子经历第 一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料中的绝大部分载流子传 输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选实施方式中，本发明方法形成了覆盖的空穴传输/ 电子闭锁材料2311，如图25所示。在一个具体实施方式中，空穴 传输/电子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子 传输的合适性能。如所示，根据一个具体实施方式，空穴传输/电子 闭锁材料覆盖纳米结构化材料。在一个具体实施方式中，空穴传输 /电子闭锁材料具有平面表面区域，填充了纳米结构化材料中所有的 任何空隙。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料能够选 自金属氧化物，IV族半导体材料，IV-IV族半导体材料，金属硫化 物，铜化合物，有机半导体，这些的组合，其可以是复合的和/或分 层的等。在一个具体实施方式中，空穴传输/电子闭锁材料选自NiO， Cu2O，Si，Ge，SiGe合金，Cu2S，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc，这些的组 合，其可以是复合的和/或分层的等。当然，也能够有其他变体、修 改和替代。
在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构 化材料和电子接收电极之间，这将在以下进行更全面的描述。在一 个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载 流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料，而在电子传输/空穴闭 锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中，空穴传输/电子闭锁材 料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间，这在先前已经进行了 描述。根据一个具体实施方式，通过纳米结构化材料光学吸收产生 正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料，而在空穴传输 /电子闭锁材料中传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
参照图25，本发明方法形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料表面 区域的电极层2313。在一个具体实施方式中，电极结构能够由合适 的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这 些的组合等。根据实施方式不同，电极层能够是光学透明的或阻光 的材料或光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、镍、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分 层结构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在 一个具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较 低或较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转 故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够 是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂 氧化锡，这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而 定。在一个具体实施方式中，电极层是导电的，所具有的电阻率低 于所要求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘 米或不超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替 代。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所 示，该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应 用的纳米结构化材料、空穴传输/闭锁材料和电子传输/闭锁材料的 方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添加、删除一 个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利要求范围的 不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的更详细细节 能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图26是举例说明根据本发明一个实施方式的本发明光生伏打 器件还有的一种可替代纳米结构化材料2600的简图。该图仅仅是 一个实例，不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通技术 员能认知其他变化、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件是由 例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子 阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料构成的纳米结构化材料制成的。 在一个具体实施方式中，本发明器件包括衬底组件2601。该衬底组 件包括一个覆盖表面区域。在一个具体实施方式中，该衬底组件能 够是绝缘体、导体或半导体，包括这些的任何组合等。在一个具体 实施方式中，绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他均质和 /或复合和/或分层材料的类型。在一个具体实施方式中，导体能够 是金属、金属合金或这些的任意组合等。另外，衬底组件能够是半 导体材料，如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族材料等。当然， 也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖该衬底 组件表面区域的电极结构2603。在一个具体实施方式中，电极结构 能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有 机材料或这些的组合等。根据实施方式不同，电极层能够是光学透 明的或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修 改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分层结 构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低或 较高电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障 的任何扩散的合适的层之间。对于光学透明电极层，电极材料能够 是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂 氧化锡，这些的任意组合等，这要根据具体的实施方式而定。在一 个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要 求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不 超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中，本发明光生伏打器件具有覆盖的电 子传输/空穴闭锁材料2605。在一个具体实施方式中，电子传输/空 穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的 合适性能。如所示，电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极层2603，优 选是透明的。另外，根据一个具体实施方式，衬底组件也是光学透 明的。另外，根据一个具体实施方式，电极和衬底组件组件不是透 明的，也可以包括反射材料，其容许电磁辐射向本发明光生伏打器 件的活性区域反射回来。仅仅作为一个实例，电子传输/空穴闭锁材 料能够是无机半导体，金属氧化物，有机半导体或其他任何合适材 料，包括材料的组合，分层材料等。在一个具体实施方式，电子传 输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物包括但不限于，ZnO，TiO2，SnO2， WO3，Fe2O3，其他金属氧化物等。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖电子传 输/空穴闭锁材料705的第一纳米结构化材料2601。在一个优选的 实施方式中，第一纳米结构化材料电耦合于电极组件的表面区域。 如所示，第一纳米结构材料具有平面表面区域。根据一个具体实施 方式，本发明光生伏打器件也包括覆盖第一纳米结构化材料的第二 纳米结构化材料2609。在一个具体实施方式中，第一和第二纳米结 构化材料形成界面区域。根据一个具体实施方式，第二纳米结构化 材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同，第一纳米结构化 材料和第二纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、量子线、纳 米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料、 这些的任意组合等的多个纳米结构组成。当然，也能够有其他变体、 修改和替代。
在一个具体实施方式中，每一纳米结构化材料由合适的复合 物、均质材料或异质材料，包括分层材料、分级材料等制成。在一 个具体实施方式中，第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由 半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V 族、这些的组合等组成。根据实施方式不同，半导体材料能够是无 机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中，这些纳米结构化 材料中要么一种要么两种都能够由金属氧化物物质制成。作为一个 实例，对于第一纳米结构化材料的金属氧化物能够是CuO，Cu2O， FeO，Fe2O3，这些的组合等。在一个可替代实施方式中，第一纳米结 构化材料能够由金属硫化物例如FeS2，Cu2S，SnS等制成。第一纳米 结构化材料能够是由IV族半导体物质构成的半导体材料，例如， FeSi2。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，第二纳米结构化材料由金属氧化物如 ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3组成。在一个可替代的实施方式中，第 二纳米结构化材料能够由金属硫化物如SnS2，ZnS等组成。在其他 实施方式中，第一纳米结构化材料能够选自Si，Ge，ZnO，TiO2，SnO2， WO3，CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，Fe3O4，Cu2S，FeS，包括组合等。在其他 普通实施方式中，第一纳米结构化材料选自金属硫化物，如Cu2S， FeS，FeS2，SnS，组合等。另外，第一纳米结构化材料能够是包括 IV族半导体物质例如FeSi2除别的之外的半导体材料。当然，也能 够有其他变体、修改和替代。
在其他实施方式中，纳米结构化材料能够具有采用一种或多种 材料的一定空间形态。作为一个实例，第一纳米结构化材料由选自 IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组 成。在一个可替代实施方式中，第一纳米结构化材料由选自Si，Ge， SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中，第一纳米结构化材料 由选自ZnO，FeO，Fe2O3，CuO，Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他 实施方式中，第一纳米结构化材料由选自IV族半导体材料，IV-IV 族半导体材料和金属氧化物的纳米管组成。在其他实施方式中，第 一纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在其他可替代实施方 式中，第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料，IV-IV族半导体 材料，而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米柱组成。在 某些实施方式中，第一纳米结构化材料可以由结构化金属硫化物如 FeS2，SnS，Cu2S等组成。第一纳米结构化材料可以包括由IV族半导 体物质如FeSi2等组成的半导体材料。第二纳米结构化材料由金属 硫化物如SnS2、ZnS等组成。当然，也能够有其他变体、修改和替 代。
在其他实施方式中，第一纳米结构化材料选自Si，Ge，SiGe合 金，而第二纳米结构化材料由ZnO构成的纳米柱组成。在其他实施 方式中，第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料，IV-IV族半导 体材料，而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米管组成。 根据一个具体实施方式，第一纳米结构化材料选自Si，Ge，SiGe合 金，而第二纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在一个可替 代实施方式中，第一纳米结构化材料由无机半导体组成，而第二纳 米结构化材料由有机半导体组成。当然，也能够有其他变体、修改 和替代。
在一个具体实施方式中，第一纳米结构化材料和第二纳米结构 能够具有某些空间形状。作为一个实例，第一纳米结构化材料和第 二纳米结构材料的层厚度为约1nm至约5000nm。在一个可替代实 施方式中，第一纳米结构化材料和第二纳米结构材料的层厚度为约 1nm至约1000nm。还有，第一纳米结构化材料和第二纳米结构材 料的层厚度为约1nm至约500nm。另外，第一纳米结构化材料和第 二纳米结构材料的层厚度为约1nm至约100nm。在其他实施方式 中，第一纳米结构化材料和第二纳米结构材料的层厚度为约1nm至 约50nm，而混合的特征空间间距为约1nm至约50nm。当然，也能 够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件也具有可以包括 第一和第二纳米结构化材料的一部分或多部分且提供于第一纳米 结构化材料和第二纳米结构材料之间的界面区域2608。根据一个具 体实施方式，也就是说，界面区域基本上物理地电接触第一和第二 纳米结构化材料，如所示。在一个优选的实施方式中，界面区域能 够是包括第一和第二纳米结构化材料的整合结构。另外，根据一个 可替代的实施方式，界面区域能够是两个相互接触的分开结构。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明器件也具有特征化第一纳米结 构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方 式，第二纳米结构化材料以第二电子亲和势和第二电离势为特征。 在一个优选的实施方式中，第一电子亲和势小于第二电子亲和势， 而根据一优选的实施方式第一电离势小于第二电离势。在一个优选 实施方式中，第二电子亲和势小于第一电离势。在一个优选的实施 方式中，本发明器件也具有特征化第一纳米结构化材料和第二纳米 结构化材料中至少之一或两种且对于包括波长为约400nm至约 700nm范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。当然，也能够 有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件具有特征化每种 纳米结构化材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式 中，第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米 结构化材料的电子亲和势和电离势至少100eV。在其他实施方式中， 第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结 构化材料的电子亲和势和电离势至少300eV。在其他实施方式中， 第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结 构化材料的电子亲和势和电离势至少500eV。当然，也能够有其他 变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料以能带隙为特征。根 据一个具体实施方式，纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为 约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中，纳米结构 化材料至少之一或两种的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外，纳 米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料也具有载流子迁移 率。根据一个具体实施方式，一种纳米结构化材料的载流子迁移率 为约10-6cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中，一种纳 米结构化材料的载流子迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。 在其他实施方式中，一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约 1cm2/V-s至约100cm2/V-s。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
如所示，根据一个具体实施方式，本发明器件具有通过纳米结 构化材料光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子，在第一纳米 结构化材料和第二纳米结构化材料之间的界面处发生分离。负电荷 载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输，而正电荷 载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实 施方式中，电荷载流子经历第一纳米结构化材料和第二纳米结构化 材料中的绝大部分载流子传输。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个优选实施方式中，本发明光生伏打器件具有覆盖用的空 穴传输/电子闭锁材料2611。在一个具体实施方式中，空穴传输/电 子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的 合适性能。如所示，根据一个具体实施方式，空穴传输/电子闭锁材 料覆盖混合区域，尤其是第二纳米结构化材料。在一个具体实施方 式中，空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物，IV族半导体 材料，IV-IV族半导体材料，金属硫化物，铜化合物，有机半导体， 这些的组合，其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式 中，空穴传输/电子闭锁材料选自NiO，Cu2O，Si，Ge，SiGe合金，Cu2S， CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc，这些的组合，其可以是复合的和/或分层 的等。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构 化材料和电子接收电极之间，这将在以下进行更全面的描述。在一 个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载 流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料，而在电子传输/空穴闭 锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中，空穴传输/电子闭锁材 料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间，这在先前已经进行了 描述。根据一个具体实施方式，通过纳米结构化材料光学吸收产生 正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料，而在空穴传输 /电子闭锁材料中传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传 输/电子闭锁材料表面区域的电极结构2613。在一个具体实施方式 中，电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能 够是金属，有机材料，或这些的组合等。根据实施方式不同，电极 结构能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能 够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，以及分层 结构等。另外，电极结构能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一 个具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低 电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任 何扩散的合适的层之间。对于透明电极结构，电极材料能够是金属 氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂氧化锡， 这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而定。在一 个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要 求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不 超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。制 作本发明器件的方式的更详细细节能够在本发明整个说明书和以 下更具体的内容中找到。
根据本发明一个可替代实施方式用于形成本发明光生伏打器 件的纳米复合物材料的方法简单描述如下。
1.提供包括表面区域的衬底(例如玻璃)；
2.清洗表面区域(例如RCA、声波、超声波)；
3.形成覆盖表面区域的电极层；
4.形成覆盖电极层的电子传输/空穴闭锁材料；
5.形成覆盖电子传输/空穴闭锁材料的第一纳米结构化材料(例 如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、 纳米壳、纳米带、纳米孔材料)；
6.形成覆盖第一纳米结构化材料的第二纳米结构化材料(例 如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、 纳米壳、纳米带、纳米孔材料)；
7.促使在第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料之间提 供的界面区域的形成，以提供第一纳米结构化材料处于第一电子亲 和势和第一电离势而提供第二纳米结构化材料处于第二电子亲和 势和第一电离势；
8.形成覆盖第二纳米结构化材料的空穴传输/电子闭锁材料；
9.形成覆盖空穴传输/电子闭锁材料的电极结构；
10.按照需要，实施其他步骤；和
11.提供本发明光生伏打器件，以至于第一电子亲和势小于第 二电子亲和势而第一电离势小于第二电离势且第一纳米结构化材 料和第二纳米结构化材料中至少之一或两种的特征是光学吸收系 数对于包括波长为约400nm至约700nm范围内的光至少为103cm-1。
以上步骤顺序提供根据本发明的一个实施方式的方法。如所 示，该方法采用了包括形成根据本发明一个实施方式的光生伏打应 用的纳米复合物材料、空穴传输/电子闭锁材料和电子传输/空穴闭 锁材料的方法的步骤组合。其他可替代步骤也能够提供于步骤添 加、删除一个或多个步骤、或一个或多个步骤按不会偏离此处权利 要求范围的不同顺序提供之处。根据具体实施方式的本发明方法的 更详细细节能够在本发明整个说明书和以下更具体的内容中找到。
图27至图28是举例说明根据本发明一个可替代的实施方式制 造本发明光生伏打器件纳米结构化材料的可替代方法的简图。这些 图仅仅是实例，不应该不合适地限制本文中权利要求的范围。普通 技术员能认知其他变化、修改和替代。所示的本发明光生伏打器件 以由例如纳米粒子、量子点、量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、 量子阱、纳米壳、纳米带、纳米孔材料的纳米结构化材料制成。在 一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括衬底组件2701。该 衬底组件包括覆盖的表面区域。在一个具体的实施方式中，衬底组 件能够是绝缘体、导体或半导体，包括这些的任意组合，等。在一 个具体实施方式中，绝缘体能够是玻璃、石英、塑料、陶瓷或其他 均质的和/或复合的和/或分层的材料的类型。在一个具体实施方式 中，导体能够是金属、金属合金或这些的任意组合等。另外，衬底 组件能够是半导体材料，如硅、硅-锗合金、锗、III/V族或II/VI族 材料等。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明方法形成覆盖衬底组件表面区 域的电极结构2703。在一个具体实施方式中，电极结构能够由合适 的材料或材料的组合制成。合适的材料能够是金属、有机材料或这 些的组合等。根据实施方式不同，电极结构能够是光学透明的或阻 光的材料或光反射的材料。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，和分层结 构等。另外，电极层能够是碳基的，如石墨或聚合物物质。在一个 具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低 (或更高)电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转 故障的任何扩散的合适的层之间。对于透明电极层，电极材料能够 是金属氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂 氧化锡，这些的任意组合等，这要根据具体的实施方式而定。在一 个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要 求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不 超过约100欧姆-厘米。根据实施方式不同，能够执行其他步骤。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个优选的实施方式中，本发明光生伏打器件具有覆盖的电 子传输/空穴闭锁材料2705。在一个具体实施方式中，电子传输/空 穴闭锁材料具有有利于电子传输而同时也有利于闭锁空穴传输的 合适性能。如所示，电子传输/空穴闭锁材料覆盖电极2703，该电 极优选是透明的。另外，根据一个具体实施方式，衬底组件也是光 学透明的。另外，根据一个具体实施方式，电极和衬底组件组件不 是透明的，也可以包括反射材料，其容许电磁辐射向本发明光生伏 打器件的活性区域反射回来。仅仅作为一个实例，电子传输/空穴闭 锁材料能够是无机半导体、金属氧化物、有机半导体，或任何其他 合适的材料，包括材料的组合，分层材料等。在一个具体实施方式 中，电子传输/空穴闭锁材料能够是金属氧化物，包括但不限于ZnO， TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3，其他金属氧化物等。在一个具体实施方式 中，该层也是平面的，如所示。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖电子传 输/空穴闭锁材料2705的第一纳米结构化材料2709。在一个优选的 实施方式中，第一纳米结构化材料电耦合于电极层的表面区域。根 据一个具体实施方式，本发明光生伏打器件也包括覆盖第一纳米结 构化材料的第二纳米结构化材料2711。在一个具体实施方式中，第 一和第二纳米结构化材料形成混合区域，这在整个本说明书和以下 的更具体的内容中已经进行了描述。根据一个具体实施方式，第二 纳米结构化材料具有一个平面表面区域。根据实施方式不同，第一 纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由选自纳米粒子、量子点、 量子线、纳米柱、纳米棒、纳米管、量子阱、纳米壳、纳米带、纳 米孔材料、这些的任意组合等的多个纳米结构组成。当然，也能够 有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，每一种纳米结构化材料由合适的复合 物、均质材料或异质材料，包括分层材料、分级材料等制成。在一 个具体实施方式中，第一纳米结构化材料和第二纳米结构化材料由 半导体材料例如IV族(例如硅、硅-锗合金、锗)、II/IV族、III/V 族、这些的组合等组成。根据实施方式不同，半导体材料能够是无 机半导体或有机半导体材料。在其他实施方式中，要么一种要么两 种这些纳米结构化材料都能够由金属氧化物物质制成。作为一个实 例，金属氧化物能够是CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，这些的组合等。在 可替代实施方式中，第一纳米结构化材料选自金属硫化物。例如， 这些金属硫化物能够是FeS2，SnS，Cu2S，FeS，这些的组合等。根据 一个具体实施方式，第一纳米结构化材料能够是由IV族半导体物 质组成的半导体材料。例如半导体材料能够是FeSi2等。当然，也 能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，第二纳米结构化材料由金属氧化物如 ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3组成。在其他实施方式中，第一纳米结 构化材料能够选自Si，Ge，ZnO，TiO2，SnO2，WO3，CuO，Cu2O，FeO， Fe2O3，Fe3O4，Cu2S，FeS，FeS2，SnS，包括组合等。在其他普通实施方 式中，第一纳米结构化材料可以选自金属硫化物，如Cu2S，FeS， FeS2，SnS，这些的组合等。当然，也能够有其他变体、修改和替 代。
在其他实施方式中，纳米结构化材料能够具有采用一种或多种 材料的一定空间形态。作为一个实例，第一纳米结构化材料由选自 IV族半导体材料、IV-IV族半导体材料和金属氧化物等的纳米柱组 成。在一个可替代实施方式中，第一纳米结构化材料由选自Si，Ge， SiGe合金的纳米柱组成。在其他实施方式中，第一纳米结构化材料 由选自ZnO，FeO，Fe2O3，CuO，Cu2O的纳米柱组成。在还有的其他 实施方式中，第一纳米结构化材料由选自IV族半导体材料，IV-IV 族半导体材料和金属氧化物的纳米管组成。在其他实施方式中，第 一纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在其他可替代实施方 式中，第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料，IV-IV族半导体 材料，而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米柱组成。在 某些实施方式中，第一纳米结构化材料可以由结构化金属硫化物如 FeS2，Cu2S，SnS等组成。另外，第一纳米结构化材料可以包括由IV 族半导体物质如FeSi2等组成的半导体材料。当然，也能够有其他 变体、修改和替代。
在其他实施方式中，第一纳米结构化材料选自Si，Ge，SiGe合 金，而第二纳米结构化材料由ZnO构成的纳米柱组成。在其他实施 方式中，第一纳米结构化材料选自IV族半导体材料，IV-IV族半导 体材料，而第二纳米结构化材料由金属氧化物构成的纳米管组成。 根据一个具体实施方式，第一纳米结构化材料选自Si，Ge，SiGe合 金，而第二纳米结构化材料由TiO2构成的纳米管组成。在一个具体 实施方式中，第一纳米结构化材料选自Si，Ge，SiGe合金，而第二 纳米结构化材料能够包括纳米结构化金属硫化物如SnS2，ZnS，等。 在一个可替代实施方式中，第一纳米结构化材料由无机半导体组 成，而第二纳米结构化材料由有机半导体组成。当然，也能够有其 他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件也具有包括第一 和第二纳米结构化材料的界面区域。根据一个具体实施方式，也就 是说，界面区域基本上物理地电接触第一和第二纳米结构化材料， 如所示。在一个优选的实施方式中，界面区域能够是包括第一和第 二纳米结构化材料的整合结构。另外，根据一个可替代的实施方式， 界面区域能够是两个相互接触的分开结构。当然，也能够有其他变 体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明器件也具有特征化第一纳米结 构化材料的第一电子亲和势和第一电离势。根据一个具体实施方 式，第二纳米结构化材料以第二电子亲和势和第二电离势为特征。 在一个优选的实施方式中，第一电子亲和势小于第二电子亲和势， 而根据一优选的实施方式第一电离势小于第二电离势。在一个优选 实施方式中，第二电子亲和势小于第一电离势。在一个优选的实施 方式中，本发明器件也具有特征化第一纳米结构化材料和第二纳米 结构化材料中至少之一或两种且对于包括波长为约400nm至约 700nm范围内的光至少为103cm-1的光学吸收系数。当然，也能够 有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件具有特征化每种 纳米结构化材料的一定电子亲和势和电离势。在一个具体实施方式 中，第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米 结构化材料的电子亲和势和电离势至少100eV。在其他实施方式中， 第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结 构化材料的电子亲和势和电离势至少300eV。在其他实施方式中， 第一纳米结构化材料的电子亲和势和电离势分别低于第二纳米结 构化材料的电子亲和势和电离势至少500eV。当然，也能够有其他 变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料以能带隙为特征。根 据一个具体实施方式，纳米结构化材料至少之一或两种的能带隙为 约1.0eV至约2.0eV。在一个可替代的具体实施方式中，纳米结构 化材料至少之一或两种的能带隙为约1.2eV至约1.8eV。另外，纳 米结构化材料至少之一或两种的能带隙为约1.3eV至约1.6eV。当 然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，纳米结构化材料、电子传输/空穴闭锁 材料和空穴传输/电子闭锁材料每一种能够具有载流子迁移率。根据 一个具体实施方式，一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约10-6 cm2/V-s至约5000cm2/V-s。在另一个实施方式中，一种纳米结构化 材料的载流子迁移率为约10-3cm2/V-s至约1000cm2/V-s。在其他实 施方式中，一种纳米结构化材料的载流子迁移率为约1cm2/V-s至 约100cm2/V-s。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
如所示，根据一个具体实施方式，本发明器件具有通过纳米结 构化材料光学吸收产生正电荷载流子和负电荷载流子，在第一纳米 结构化材料和第二纳米结构化材料之间的界面处发生分离。负电荷 载流子在具有较大电子亲和势的纳米结构化材料中传输，而正电荷 载流子在具有较小电离势的纳米结构化材料中传输。在一个具体实 施方式中，电荷载流子经历第一纳米结构化材料和第二纳米结构化 材料中的绝大部分载流子传输。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在一个优选实施方式中，本发明光生伏打器件具有覆盖用的空 穴传输/电子闭锁材料2711。在一个具体实施方式中，空穴传输/电 子闭锁材料具有有利于空穴传输而同时也有利于闭锁电子传输的 合适性能。如所示，根据一个具体实施方式，空穴传输/电子闭锁材 料覆盖混合区域，尤其是第二纳米结构化材料。在一个具体实施方 式中，空穴传输/电子闭锁材料能够选自金属氧化物，IV族半导体 材料，IV-IV族半导体材料，金属硫化物，铜化合物，有机半导体， 这些的组合，其可以是复合的和/或分层的等。在一个具体实施方式 中，空穴传输/电子闭锁材料选自NiO，Cu2O，Si，Ge，SiGe合金，Cu2S， CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc，这些的组合，其可以是复合的和/或分层 的等。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，电子传输/空穴闭锁材料位于纳米结构 化材料和电子接收电极之间，这将在以下进行更全面的描述。在一 个具体实施方式中，通过纳米结构化材料光学吸收产生的负电荷载 流子优先分离进入电子传输/空穴闭锁材料，而在电子传输/空穴闭 锁材料中传输。在一个可替代的实施方式中，空穴传输/电子闭锁材 料位于纳米结构化材料和空穴接收电极之间，这在先前已经进行了 描述。根据一个具体实施方式，通过纳米结构化材料光学吸收产生 正电荷载流子优先分离进入空穴传输/电子闭锁材料，而在空穴传输 /电子闭锁材料中传输。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明光生伏打器件包括覆盖空穴传 输/电子闭锁材料表面区域的电极结构2715。在一个具体实施方式 中，电极结构能够由合适的材料或材料的组合制成。合适的材料能 够是金属，有机材料，或这些的组合等。根据实施方式不同，电极 层能够是光学透明的或阻光的材料或光反射的材料。当然，也能够 有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，金属能够是钼、钨、金、银、铜、铝、 铂、钯、钴、其他合适的金属，包括组合(例如合金)，以及分层 结构等。另外，电极结构能够是碳基的如石墨或聚合物物质。在一 个具体实施方式中，金属能够装入势垒金属层或其他可以具有较低 电阻率也能够防止任何金属物质导致可靠性差和/或运转故障的任 何扩散的合适的层之间。对于透明电极结构，电极材料能够是金属 氧化物如氧化铟锡，一般称为ITO，铝掺杂氧化锌，氟掺杂氧化锡， 这些的任意组合和其他材料，这要根据具体的实施方式而定。在一 个具体实施方式中，电极结构是导电的，所具有的电阻率低于所要 求的数，这根据一个具体实施方式经常低于约0.01欧姆-厘米或不 超过约100欧姆-厘米。当然，也能够有其他变体、修改和替代。制 作本发明器件的方式的更详细细节能够在本发明整个说明书和以 下更具体的内容中找到。
从图29至图33是根据本发明实施方式形成纳米结构化材料的 方法的简图。这些图只是实例，其不应该不合适地限制本文的权利 要求范围。普通技术员能认知其他变化、修改和替代。如所示，在 图29中图示说明了溶液相沉积(SPD)方法。另一个可替代方法包 括电化学沉积(ECD)法、溶液相生长(SPG)法和气相沉积(VPD) 法，这些都在其余图中图示说明。参照图33，采用一种或多种工艺 的方法进行了图示说明。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明方法和结构能够解决目前传统 的薄膜光生伏打技术不能实现低成本高效的问题。尤其是，本发明 方法和结构能够处理根据一个或多个具体实施方式的以下问题：
在太阳能光谱相关的波长范围中的高吸收系数；
有效载流子分离；
有效载流子传输；
低成本加工处理；
低毒性材料；
稳定耐用材料；和
充足材料。
根据一个具体实施方式，在任何太阳能光生伏打技术中的一个 重要性质是太阳光的强吸收。优选活性材料尽可能多地吸收阳光。 这具有许多个要分支。强吸收剂使得即使使用非常薄的薄膜也仍能 够吸收有效的太阳光。这就由此最小化和/或降低了载流子经常必须 传输达到电荷分离结点和接收电极的距离。由于大多数载流子的扩 散长度一般较短，薄膜就能够减轻影响载流子穿过的过程如载流子 再融合和捕获的中的有害过程。另外，由于使用显著较少的材料和 所需材料质量要求较低而能够大大降低成本。
因此，本发明的实施方式包括具有用于尽可能多地吸收太阳光 谱的高吸收系数的方法和结构。一般而言，相关的光学跃迁本质上 是直接的而非间接的。纳米结构化材料中的量子受限提供了一种进 一步增加吸收系数的方法。一般而言，光学跃迁的振子强度随着纳 米结构化材料的特征尺寸的降低而增加，因此，纳米结构化材料的 使用有利于实现更高的吸收系数。许多传统的材料就可以满足这些 标准，例如有机染料、共轭低聚物和聚合物，小有机分子、无机半 导体如GaAs，CdTe，PbSe，PbS，InP等。这些传统材料一般大多数都 不满足以上列出的用于商业化和已接受的光生伏打应用的其他标 准。然而，根据本发明的一个或多个实施方式满足高吸收系数低加 工处理成本、低毒性、充足和稳定性的条件。这包括这些材料如大 尺寸大和纳米结构化形式的IV族材料、IV-IV族材料、金属氧化物 和金属硫化物，其实例有Si，Ge，Si/Ge合金，CuO，Cu2O，FeO，Fe2O， Cu2S，FeS，FeS2，SnS，SnS2，ZnS，包括任意组合等。另外，含有IV 族半导体物质如大尺寸形式的FeSi2或作为纳米结构化材料提供的， 都可以使用。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，高吸收系数的性质并没有把材料的选 择限制为仅仅具有直接光学跃迁的那些。量子受限能够修改光学跃 迁的性质，以使其随纳米结构化材料特征尺寸的降低而变，光学跃 迁的性质就能从所具有的基本间接特性变化成具有直接变化度和 基本能够是直接相当的间接特性的变化度。例如，纳米结构化硅和 锗，二者都具有间接的光学跃迁，能够由具有间接光学跃迁的材料 演化成随着其特征尺寸降低到纳米尺寸范围而具有基本直接光学 跃迁的材料。因此，在其大尺寸形式时是间接跃迁的材料能够用于 以其纳米结构化形式的光生伏打应用中。在一个优选的实施方式 中，本发明的结构和方法能够包括纳米结构化硅、锗和/或硅锗合金 等。
对于这种应用尤其是太阳能光生伏打器件的另一考虑因素是 吸收剂材料的最佳和/或改进的能带隙。Schottkley和Queisser早先 已经计算了单个结处太阳能光生伏打器件的最佳能带隙为约 1.4eV，这就产生了约31％的散射太阳光的理论能量效率。他们证 实了转换效率是如何依赖于吸收剂能带隙的。理论上非常高的效率 能够在一个宽的材料能带隙范围即约1.1至约1.6eV内实现。
在一个具体实施方式中，本发明方法和结构包括具有能带隙落 入高转换效率的这个范围内的吸收剂材料，也满足一种或多种以上 列出其他标准如高吸收系数、低加工处理成本、相对无毒性、充足 性和稳定性。这些实施方式包括大尺寸形式的CuO、FeO、Cu2S。
纳米结构化材料的量子受限提供了一种方便有效的方法，把纳 米结构化材料的能带隙设计到太阳能光生伏打应用的最佳值。降低 纳米结构化材料的特征尺寸(例如降低量子点的直径)而大约根据 下式增加能带隙，Eg：
Eg(d)＝Eg(∞)+C/dn         (1)
其中d是特征尺寸(例如量子点直径)；
C是材料依赖性常数；和
n一般在1至2之间变化。
方程(1)的结论是量子受限一直提高大尺寸值的能带隙。因 此，仅仅带隙能量低于对应峰值(即约1.4eV)的材料能够经过修 饰后以纳米结构化形式达到最佳值。在一个具体实施方式中，本发 明方法和结构包括以纳米结构化形式的Si，Ge，Si/Ge合金，CuO， 和FeO，因为它们满足能带隙标准以及先前所列的一个或多个其它 标准，即高吸收系数、低成本加工处理、相对无毒性、充足和稳定 性。尽管也有传统的材料可以满足能带隙标准，但是几乎没有传统 材料满足所有的这些标准，这些标准对于高效率和可工业化的太阳 能光生伏打应用是必须满足的。当然，也能够有其他变体、修改和 替代。
在大多数传统光生伏打器件中实现电荷分离的方法都会对能 量转换效率提呈限制。电荷分离在本发明器件中出现在有限数量的 物理位点。对于典型的p-n结器件，电荷分离仅仅出现在载流子处 于平面界面或p-型材料和n-型材料之间的结点的载流子扩散长度 内之时。由于扩散长度一般在纳米范围内或几十个纳米到几百个纳 米范围内，大多数产生光子的载流子就在这个区域之外产生，尤其 是吸收系数较小的材料更是如此，因此需要厚度比载流子扩散长度 更大的薄膜或晶片。这对于由p-n结设计的晶体硅制造的传统光生 伏打器件来说，尤其成问题。传统的晶体Si晶片一般为200微米至 300微米厚，数量级大于载流子扩散长度。因此，大多数产生光子 的载流子都由于再融合、捕获等而损失，这就为传统器件构成了限 制。
对于实现分离的载流子，它们必须经常在很长的距离之内(长 度超过其扩散长度)传输才到达载流子接收电极。因此即使载流 子成功地经过了电荷分离，但是其中大多数由于有害过程如载流子 再融合和捕获而并未达到电极。这个问题如果通过利用少数载流子 传输的当前器件设计会被加剧。
在一个具体实施方式中，本发明方法和结构对于许多方法和结 构中即使不是所有的这些限制也能克服其中一些，这些限制已经在 本文中以及整个本说明书进行了描述。本发明的一个实施方式可以 通过本发明方法和结构使用材料的大吸收系数而可以使之克服这 些限制。大吸收系数容许使用更薄的薄膜，其范围为约100nm至约 500nm，而同时仍能够吸收绝大部分太阳光。这个膜厚度显著地比 传统晶体硅光生伏打器件更薄(薄几个数量级)，也比传统薄膜光 生伏打器件薄得多。在一个具体实施方式中，本发明方法和结构能 够包括的活性材料的厚度与这些当前的结构化材料中的载流子扩 散长度相当或是其仅仅几倍长。因此，根据一个具体实施方式，大 多数产生光子的载流子成功地传输过薄膜。这有利于载流子传输到 载流子分离区域或结点，以及有利于所分离的载流子传输到接收电 极。
在本发明一个可替代实施方式中，本发明方法和结构通过使用 进一步最小化和/或降低载流子传输到达载流子分离区域的距离的 结构设计能够增加电荷分离的可能性。这通过创造位于整个膜内的 “纳米-结点”以至于所有的载流子都基本处于电荷分离的纳米结点 的扩散长度内而得以实现。按照这种方法，将近所有的光生载流子 能够传输到纳米结点的短距离而经历电荷分离。当然，也能够有其 他变体、修改和替代。
电荷分离的某些机理已经进行了描述。在传统p-n型结中，在 消耗的p-n结区域产生的电场分离处于该区域扩散长度内的载流 子。p-n结的变体是销型结(pin junction)。在这种情况下，在p- 型材料和n-型材料之间本征区的插入产生了发生电荷分离的更大 势垒区。这些类型的结都典型地用于由传统大尺寸半导体材料构成 的传统器件中，其是有限的。
对于纳米结构化材料，量子受限一般导致能级少于带类而多于 分子类，同时伴随电子波函数的定域化。在这种情况下，代替作为 大尺寸半导体内基于导带最小值(CBM)或价带最大值(VBM) 的描述，相关能级可以更合适地描述为最低占据分子轨道(LUMO) 和最高占据分子轨道(HOMO)，犹如分子物质中那样。根据一个 具体实施方式，电荷分离发生在两种具有不同电子亲和势(这通过 LUMO能级的不同能位表示)或具有不同电离势(通过HOMO能 级的不同能位)的纳米结构化材料之间，并由向最低自由能的内驱 力驱动。在一个优选实施方式中，第一纳米结构化材料比与第一纳 米结构化材料共享界面的第二纳米结构化材料具有较低的电子亲 和势和较低的电离势，这此前已经进行了解释。换句话说，一种纳 米结构化材料的HOMO-LUMO能级是关于第二种纳米结构化材料 的HOMO-LUMO能级，以类似于II型半导体杂结的方式发生“摆 动的”。在这种情况下，根据一个具体实施方式，在材料中产生的 载流子进行电荷分布分离或排布，以至于电子或负电荷载流子位于 最高电子亲和势或较低能量的LUMO能级的纳米结构化材料中， 而空穴或正电荷载流子位于具有最低电离势或较高能量的HOMO 能级的纳米结构化材料中。
根据一个具体实施方式，另一个考虑因素是两种材料的HOMO 能级之间的能量补偿和LUMO能级之间的能量补偿。对于为了实 现快速有效的电荷分离，能量补偿经常必须足够大。如果电荷分离 的动力学或速率不足够迅速，则载流子再融合或捕获或许占据主 导，而导致发生降低能量转换效率的损耗过程。另一方面，如果能 量补偿太大，也会殃及到能量转换效率。因此，能量补偿经常必须 进行优化和/或改进。
在纳米结构化材料中的量子受限提供了一种拓展HOMO和 LUMO能级而由此优化和/或改进能量补偿的方便有效的方法。降 低纳米结构化材料的特征尺寸(例如降低量子点的直径)就能近似 地根据方程(1)增加能带，Eg。具有较小特征尺寸的Eg的升高， 是由于LUMO能级的能量升高和HOMO能级的能量降低所致。因 此，通过尺寸设计，调节纳米结构化材料的HOMO和LUMO能级 的能量而优化能量补偿。
根据一个或多个实施方式，本发明方法和结构包括合适的和/ 或所需的材料组或对的选择，其中通过其整体性能或通过它们的纳 米结构化性能的尺寸设计，对于有效电荷分离，材料对之间的能量 补偿能够得到优化和/或改进。根据一个具体实施方式，本发明方法 和结构包括用第一组材料与第二组材料的组合或配对。在一个具体 实施方式中，第一组包括选自大尺寸形式的CuO，FeO和Cu2S，以 及纳米结构化形式的Si，Ge，Si/Ge合金，CuO，FeO和Cu2S。在一个 具体实施方式中，第二组包括诸如大尺寸形式或纳米结构化形式的 ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3，NiO，Cu2O，CuI，CuPc，ZnPc和 CuSCN。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
根据一个具体实施方式，具有一种或多种在整个膜中产生按照 以上描述的纳米-结的方法。在一个具体实施方式中，本发明方法形 成了两种或多种涉及到产生光生伏打效应的材料之间的纳米结构 化形态。作为一个实例，这种方法组合/或混合了两种或多种纳米级 的纳米结构化材料的纳米粒子而形成纳米复合物膜。具有按照上述 的合适能量学的不同材料的纳米粒子之间的界面形成这种纳米-结， 其中许多定位于整个纳米复合物膜中。纳米粒子也能够是以下任何 形状：球状、椭圆形、棒状、管状、带状、环状、片状等。当然， 也能够有其他变体、修改和替代。
在一个具体实施方式中，本发明方法和结构也能形成而克服的 限制是载流子传输并不尽可能地有效，而依赖于由一种纳米粒子到 另一种纳米粒子的无效跳跃传输的程度。作为一个实例，本发明方 法和结构提供用于提高接触或纳米粒子之间的界面区域而即使不 能克服所有的这些限制也能克服许多限制。在一个具体实施方式 中，本发明方法能够包括烧结所得到的纳米粒子膜的工艺方法，这 个工艺过程能够在显著低于熔点的温度下进行，以至于组成组分的 纳米粒子进行更多的连接，并具有一个较大界面区域。根据一个具 体实施方式的另一方法包括向膜施加力(例如压力)，这也能实现 烧结类似的结果。根据本发明的方法，热和压力也能组合应用而在 更温和的条件下实现所需的形态。这些方法通过提供更大界面区域 和更空间延伸的纳米结构而增加了接触，这由此能够实现更有效的 载流子传输和更高的载流子迁移率。另外，通过控制烧结条件和/ 或压力条件，载流子迁移率能够被设计成所需的值。当然，也能够 有其他变体、修改和替代。
显著改进载流子传输的另一种方法是使用更延伸的纳米粒子， 例如由其他纳米粒子的空间延伸。在一个具体实施方式中，延伸的 纳米粒子和/或纳米结构能够包括但不限于那些主要定向于所需载 流子传输方向的纳米柱、纳米管等，该方向经常垂直于膜表面，理 想地足够长，以延伸接近通过膜厚度。这些延伸的纳米结构能够使 载流子有效传输通过单个空间延伸的纳米结构，由此很大程度上消 除了跳跃传输的需要。而且，延伸的纳米结构的界面和如上所描述 的具有合适能量学的其他材料，形成了纳米-结，其能够存在于整个 膜中。这种纳米复合物的其他材料也能够是通过烧结和/或通过施加 压力而实现主要连接的延伸纳米结构和/或纳米粒子。因此，延伸纳 米结构显著地改进了载流子传输，尤其是向接收电极的传输。当然， 也能够有其他变体、修改和替代。
根据实施方式不同，其它好处也可实现。也就是，这些方法中 一种或多种产生位于膜内每几个纳米的纳米-结的附加优点是增强 的吸收。纳米结构化形态散射光，并提供通过吸收剂的多个通道， 根本上实现有效的更大光学密度或吸收。当然，也能够有其他变体、 修改和替代。
在另一实施方式中，吸收剂材料的吸收系数足够大，以至于所 需吸收基本上所有的太阳光的膜厚度，与载流子扩散长度相当或是 其几倍大。在该实施方式中，整个膜中的纳米-结可以是不必要的。 膜薄至足以容许从膜一侧到另一侧通过电极接收的有效载流子传 输。为了实现这一点，吸收剂材料的吸收系数对于尽可能多的太阳 光谱范围内的光应该为约104cm-1或105cm-1或更大。这种材料的实 例包括纳米结构化Si，Ge，Si/Ge合金，CuO，FeO，Cu2S，Cu2O，FeS2， SnS，SnS2，ZnS，FeSi2等。在该实施方式中，本发明器件包括具有纳 米复合物材料之间界面的最低纳米结构化的简单双层膜。据据一个 具体实施方式的这种方法和结构由基本上以接收电极夹层的双层 纳米复合物组成。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
本发明的另一个实施方式，改进了此前描述的PV器件实施方 式即使不是所有的也是许多性能，包括载流子闭锁材料，其阻止载 流子向错误的电极传输。载流子闭锁材料能够放置于以上描述的光 活性纳米复合物材料的合适一侧。空穴闭锁层放置于光活性纳米复 合物和电子接收电极之间。电子闭锁层放置于光活性纳米复合物和 空穴接收电极之间。这就提高了载流子接收的不对称性，这就改进 了PV性能如增加了Voc。要么之一要么两种载流子闭锁层都能够使 用。影响载流子闭锁的势垒能够通过按照以上描述转换LUMO和 HOMO能级的量子尺寸效应而进行设计。当然，也能够有其他变体、 修改和替代。
在一个优选实施方式中，载流子闭锁层也传输合适的载流子， 即空穴闭锁层也传输电子，而由此形成电子传输空穴闭锁材料 (ETHBM)，而电子闭锁层也传输空穴，而由此形成空穴传输电 子闭锁材料(HTEBM)。适合以上描述实施方式的ETHBM实例 包括但不限于ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3等。适合以上描述实施 方式的HTEBM实例包括但不限于NiO，Cu2O，CuI，CuPc，ZnPc， CuSCN等。当然，也能够有其他变体、修改和替代。
在另一实施方式中，载流子闭锁和/或载流子传输层也起到缓冲 层的作用，阻止了不需要的材料扩散如金属从器件中的电极或其它 材料穿过器件进入器件的其他区域。在一个实施方式中，载流子闭 锁和/或载流子传输层也起到减轻器件的电短路或分流的缓冲层作 用。这样，在大多数优选实施方式中，载流子闭锁/传输材料起着多 个作用：传输载流子，闭锁不需要的载流子，阻止材料通过器件的 扩散作用，以及减轻通过器件的电短路或分流。
而且，以上在本发明的各个实施方式中描述或选择的所有材 料，都能够人工合成和加工成采用包括溶液合成、电化学合成、电 泳、溶胶-凝胶处理、刮粉刀刮制、喷墨打印、浸渍等溶液技术的低 成本加工方法形成的PV所需薄膜或其他结构。
另外，以上在本发明的各个实施方式中描述或选择的所有材 料，都是相对无毒性的、稳定的，在地球地壳层内充足供应地存在。
应该理解到，此处描述的实施例和实施方式仅仅出于举例说明 的目的，各种修改或变化对本技术领域的普通技术员来说是显而易 见的，也将包括在本发明申请的精神和范围以及附加权利要求的范 围内。其他实施例的更详细的细节能够在本申请和以下更具体的内 容中找到。
实施例
为了证实本发明的原理和操作，描述了各种实施例。根据具体 的实施方式，这些实施例准备用于阐述本发明的方法和结构。这些 方法和结构并不想以任何方式成为限制性的。本领域的普通技术员 应该认知其他修改、替换和变体。在讨论实施例之前将准备以下所 列的定义。与实施例一样，这些定义并不预想成为限制性的，而应 该给出与本领域普通技术员所作那些解释阐述相一致的意义。也就 是，对于所给的词，以下括号内给出了缩写。
电子传输材料(ETM)
空穴传输材料(HTM)
电子闭锁材料(EBM)
空穴闭锁材料(HBM)
电子传输空穴闭锁材料(ETHBM)
空穴传输电子闭锁材料(HTEBM)
吸收电子传输材料(AETM)
吸收空穴传输材料(AHTM)
吸收电子闭锁材料(AEBM)
吸收空穴闭锁材料(AHBM)
吸收电子传输空穴闭锁材料(AETHBM)
吸收空穴传输电子闭锁材料(AHTEBM)
在根据本发明的具体实施方式中，能够进行衬底和上层覆盖材 料的器件设计。在以下实施方式中，仅仅描述上层覆盖材料结构的 制作，但这并不预想成为限制性的，本领域技术员将会认知，衬底 的结构设计也能够以这些实施例的直接实施方式进行实施。当然， 也能够有其他变体、修改和替代。
另外，在以下实施例中描述的器件结构设计中，透明导电电极 (TCE)将会用于容许光传输通过到达吸收剂材料。本发明能够使 用n-型和p-型两种类型的TCE，即分别传输或传导负电荷载流子的 那些和传输或传导正电荷载流子的那些。TCE的一些实例是氧化铟 锡(ITO)、铝掺杂氧化锌(ZnO:Al)和氟掺杂氧化锡(SnO2:F)。 ITO是p-型TCE的实例，而ZnO:Al和SnO2:F是n-型TCE的实 例。在传输材料接着TCE放置的器件结构设计中，电子传输材料(如 ETM或ETHBM，其可以是未掺杂的或n-掺杂的)紧接着n-型TCE 放置，而空穴传输材料(如HTM或HTEBM，其可以是未掺杂的 或p-掺杂的)紧接着p-型TCE放置。例如，如果用n-型材料如ZnO: Al作为TCE，那么就使用电子传输材料，而如果用p-型材料如ITO 作为TCE，那么就使用空穴传输材料。在以下描述的实施例中，使 用了n-型TCE如ZnO:Al。这并不预想成为限制性的。其他n-型 TCE和p-型TCE也能够使用，而本领域的技术员将会认知，载流 子传输层转换位置，而所采用的掺杂类型也将发生转变，这取决于 TCE的本质特性。
实施例1
衬底能够是任何光学透明材料如玻璃、石英玻璃、塑料等，在 其上沉积透明导电电极(TCE)，这能够采用各种真空方法如溅射 法、蒸发沉积法和溶液沉积法。TCE的实例是氧化铟锡(ITO)、 铝掺杂氧化锌(ZnO:Al)和氟掺杂氧化锡(SnO2:F)。在这些 实施例中，我们采用了ZnO:Al。
第一材料的纳米粒子(NP)层，然后就沉积在TCE上。该膜 的厚度能够为约50nm至约1000nm。这利用NP的胶体悬浮液和各 种类型的溶液沉积方法如旋涂、喷涂、喷墨打印、浸涂、刮墨刮刀 刮涂、电泳、电化学沉积等进行实施。所沉积的第一材料能够是金 属氧化物如ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3等。另外，第一材料能够 使金属硫化物如FeS2，SnS，Cu2S。然后，在约100℃至约700℃，或 优选约100℃至约600℃，或更优选约100℃至约500℃的温度下烧 结金属氧化物NP或金属硫化物的NP约5min至约3h的一定时间。 该烧结工艺过程能够在炉中或经由编程的快速热退火进行实施，其 目标是微微融合NP或把NP互相连接到一起。除了热烧结以外， NP的互连也能够通过向膜施压实现。所施加压力能够为100kg/cm2 至2000kg/cm2，能够采用机械压力或采用等静压向膜施压。
然后，第二材料的NP实施沉积，在通过沉积的第一材料的NP 形成的纳米孔内注入这些第二材料的NP。这些第二材料的NP能够 以类似第一材料NP的方式沉积。第二材料能够是Si，Ge，SiGe合 金，金属氧化物如CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，金属硫化物如Cu2S， SnS2，ZnS等。然后，第二材料的NP以第一NP类似的执行模式进 行烧结。烧结的第一材料NP和第二材料NP的融合构成了纳米复 合物膜。
最后，在纳米复合物膜之上沉积顶电极。该顶电极能够通过诸 如溅射法、蒸发沉积法、丝网印刷、涂刷、薄膜层压等方法进行沉 积。
实施例2
在实施例1的另一实施方式中，第一材料的NP和第二材料的 NP以实施例1中第一材料的NP沉积类似的模式沉积到一起。正如 实施例1中那样，然后就把两种材料烧结一定指定的时间和温度， 或通过施压进行。
实施例3
以涂覆在实施例1衬底的TCE开始。电子传输空穴闭锁材料 (ETHBM)的膜采用真空技术如溅射法或蒸发沉积或溶液沉积技术 沉积为约100nm至约1000nm的厚度。ETHBM能够是金属氧化物 如ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3等，能够是未掺杂的或n-掺杂的。 然后，实施例1中描述的纳米复合物膜在ETHBM上加工处理。最 后，在纳米复合物膜上沉积顶电极。该顶电极能够通过诸如溅射、 蒸发沉积、丝网印刷、涂刷、薄膜层压等方法进行沉积。
实施例4
在沉积顶电极之前以实施例3中的器件开始。空穴传输电子闭 锁材料(HTEBM)的层采用真空技术如溅射法或蒸发沉积法或溶液 沉积技术在纳米复合物层上沉积约100nm至约1000nm的厚度。 HTEBM的实例是NiO，Cu2O，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc等，能够是 p-掺杂的或未掺杂的。最后，顶电极沉积在HTEBM上。该顶电极 能够通过诸如溅射法、蒸发沉积、丝网印刷、涂刷、薄膜层压等方 法进行沉积。
实施例5
在沉积顶电极之前以实施例1中的器件开始。空穴传输电子闭 锁材料(HTEBM)的层采用真空技术如溅射法或蒸发沉积法或溶液 沉积技术在纳米复合物层上沉积约100nm至约1000nm的厚度。 HTEBM的实例是NiO，Cu2O，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc等，能够是 未掺杂的或p-掺杂的。最后，顶电极沉积在HTEBM上。该顶电极 能够通过诸如溅射法、蒸发沉积、丝网印刷、涂刷、薄膜层压等方 法进行沉积。
实施例6
以涂覆在实施例1衬底上的TCE开始。沉积由第一材料的NP 第二材料的NP和第三材料的NP的混合物组成的层，该层含有纳 米复合物。第一材料是ETHBM，第二材料是吸收剂，而第三材料 是HTEBM。这三种类型的NP能够采用各种方法进行沉积。一个 实施方式涉及形成所有三种材料NP的胶体悬浮物。然后在涂覆衬 底的TCE上采用各种溶液沉积技术如旋涂、喷涂、浸涂、喷墨打印、 刮墨刮刀刮涂、电泳、电化学沉积等进行沉积。最后，顶电极沉积 在纳米复合物膜上。该顶电极能够通过诸如溅射法、蒸发沉积、丝 网印刷、涂刷、薄膜层压等方法进行沉积。
实施例7
在实施例6的另一实施方式中，ETHBM采用真空技术如溅射 法或蒸发沉积或溶液沉积技术放置于TCE和纳米复合物之间。 ETHBM的实例有ZnO，TiO2，SnO2，WO3等，能够是未掺杂的或n- 掺杂的。
实施例8
在实施例6的另一实施方式中，HTEBM采用真空技术如溅射 法或蒸发沉积或溶液沉积技术放置于纳米复合物和顶电极之间。 HTEBM的实例有NiO，Cu2O，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc等，能够是 未掺杂的或p-掺杂的。
实施例9
在实施例6的另一实施方式中，采用真空技术如溅射法或蒸发 沉积或溶液沉积技术，ETHBM放置于TCE和纳米复合物之间， HTEBM放置于纳米复合物和顶电极之间。ETHBM的实例有ZnO， TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3等，能够是未掺杂的或n-掺杂的。HTEBM 的实例有NiO，Cu2O，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc等，能够是未掺杂的 或p-掺杂的。
实施例10
以涂覆在实施例1衬底上的TCE开始。ETHBM的NP组成的 层采用溶液沉积方法沉积在TCE上。ETHBM的实例有ZnO，TiO2， SnO2，WO3，Fe2O3等，能够是未掺杂的或n-掺杂的。第二层的吸收 材料NP采用溶液沉积方法沉积在ETHBM层之上。吸收材料的实 例有Si，Ge，SiGe合金，CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，Cu2S等。第三层的 HTEBM的NP采用溶液沉积方法沉积在吸收材料层上。HTEBM的 实例有NiO，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc等，能够是未掺杂的或p-掺杂 的。这三层的组合组成了多层纳米复合物。这些层的每层的厚度为 约50nm至约5000nm，更优选约50nm至1000nm，最优选约50nm 至500nm。这些NP层的每一层都能够在每个NP层的沉积之后依 次烧结。烧结过程也能在这些两个层沉积之后进行，然后在第三层 的沉积之后进行另一个烧结过程。烧结过程也能在所有三层沉积之 后进行。最后，把顶电极沉积在纳米复合物膜上。该顶电极能够通 过诸如溅射法、蒸发沉积、丝网印刷、涂刷、薄膜层压等方法进行 沉积。
实施例11
在实施例10的另一实施方式中，采用真空技术如溅射法或蒸 发沉积或溶液沉积方法，ETHBM放置于TCE和多层纳米复合物之 间。ETHBM的实例有ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3等，能够是未 掺杂的或n-掺杂的。
实施例12
在实施例10的另一实施方式中，采用真空技术如溅射法或蒸 发沉积或溶液沉积方法，HTEBM放置于TCE和多层纳米复合物之 间。HTEBM的实例有NiO，Cu2O，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc等，能 够是未掺杂的或p-掺杂的。
实施例13
在实施例10的另一实施方式中，采用真空技术如溅射法或蒸 发沉积或溶液沉积方法，ETHBM放置于TCE和多层纳米复合物之 间，HTEBM放置于多层纳米复合物和顶电极之间。ETHBM的实 例有ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3等，能够是未掺杂的或n-掺杂的。 HTEBM的实例有NiO，Cu2O，CuI，CuSCN，CuPc，ZnPc等，能够是 未掺杂的或p-掺杂的。
实施例14
以涂覆实施例1衬底的TCE开始，沉积基本垂直但并不需要 精确垂直于膜的延伸纳米结构层如纳米柱、纳米管等。能够用于这 些延伸的纳米结构的材料的实例包括金属氧化物，如ZnO，TiO2， SnO2，WO3和Fe2O3，金属硫化物如FeS2，SnS，包括IV族半导体物 质如FeSi2的半导体材料，能够是未掺杂的或n-掺杂的。由相同材 料构成的薄膜也可以首先沉积在TCE上，然后延伸纳米结构在该薄 膜上生长。该薄膜可以通过材料的NP层烧结或通过真空方法如溅 射法或蒸发沉积或溶液沉积方法形成。该薄膜和/或延伸纳米结构也 用作ETHBM。延伸纳米结构能够通过各种方法生长或沉积。这种 方法的一个实例(优选实施方式)涉及在有或无包括延伸纳米结构 地薄膜材料条件下把涂覆衬底的TCE浸入例如由含有金属盐前体 如乙酸锌以便沉积ZnO纳米柱的碱水溶液(例如NaOH水溶液) 构成的合适生长介质。
然后，第二材料注入通过延伸纳米结构形成的纳米孔穴，第二 材料延伸超过了延伸纳米材料或完全覆盖延伸的纳米结构。该第二 材料能够是Si，Ge，SiGe合金，CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，Cu2S，SnS2， ZnS等。该第二材料能够采用许多方法沉积。一种方法采用了该材 料的NP胶体悬浮液。胶体悬浮液能够用于把第二材料注入通过诸 如旋涂、喷涂、浸涂、喷墨打印、刮墨刮刀刮涂、电泳、电化学沉 积等方法形成纳米孔穴。注入第二材料之后，第二材料在约100℃ 至约700℃，或优选约100℃至约600℃，或更优选约100℃至约500 ℃的温度下烧结约5min至约3h的一段时间。该烧结工艺过程能够 要么在炉中或经由可编程的迅速热退火进行实施，其目标是把NP 微微融合或互连一起。代替热烧结方法，NP的互连也能通过向膜 施加压力而得以实现。压力能够为约100kg/cm2至约2000kg/cm2， 能够采用机械压力或等静压施加于膜。
沉积第二材料的另一方法涉及采用合适前体材料的水溶液的 电化学沉积。该方法能够使用标准三电极或两电极电化学电池。一 个电极或工作电极由第一材料的延伸纳米结构组成，其已经涂覆在 衬底上的TCE层上。参比电极是标准的饱和甘汞电极(SCE)或标 准氢电极(SHE)。反电极是金属如铂、金等。前体材料能够是各 种材料。在Si的情况下，其能够是各种硅烷如卤代硅烷和有机-硅 烷、聚硅烷。在锗的情况下，其能够是各种锗烷如卤代锗烷和有机 锗烷，或聚锗烷。在CuO的情况下，其能够是各种Cu(II)盐如 乙酸铜(II)和硫酸铜(II)和酒石酸铜(II)。在Cu2O的情况下， 其能够是各种Cu(I)盐如氯化亚铜(I)和硝酸亚铜(I)。在FeO 的情况下，其可以是各种铁(II)盐如氯化亚铁(II)。在Fe2O3的 情况下，其能够是各种铁(III)盐如氯化铁(III)。在硫化亚铜(I) 的情况下，其能够是各种铜(I)盐如氯化亚铜(I)和硝酸亚铜(I)。
最后，顶电极沉积在第二材料上。该顶电极能够通过诸如溅射 法、蒸发沉积、丝网印刷、涂刷、薄膜层压等方法进行沉积。
实施例15
除了在沉积顶电极之前把空穴传输电子闭锁材料(HTEBM)的 第三材料沉积在第二材料上以外，类似于实施例14中描述的器件 进行器件构建。该顶电极采用真空方法诸如溅射法或蒸发沉积或溶 液沉积方法进行沉积。第三材料能够是各种材料如NiO，Cu2O，CuI， CuSCN，CuPc，ZnPc等。最后，顶电极沉积在第三材料上。该顶电 极能够通过诸如溅射法、蒸发沉积、丝网印刷、涂刷、薄膜层压等 方法进行沉积。
实施例16
除了第二材料并不完全填充纳米孔穴，而是用第二材料的薄膜 沉积涂覆延伸纳米结构，在延伸纳米结构之间或之内仍保留纳米孔 穴以外，类似于实施例14中描述的器件进行器件构建。然后，如 实施例15中描述的HTEBM第三材料沉积在这些纳米孔穴内而超 过延伸纳米结构的水平。最后，顶电极沉积在第三材料上。该顶电 极能够通过诸如溅射法、蒸发沉积、丝网印刷、涂刷、薄膜层压等 方法进行沉积。
实施例17
以涂覆实施例1衬底的TCE开始，电子传输空穴闭锁材料 (ETHBM)膜采用真空方法诸如溅射法或蒸发沉积或溶液沉积方法 沉积成约100nm至约1000nm的厚度。ETHBM能够是金属氧化物 如ZnO，TiO2，SnO2，WO3和Fe2O3等，能够是未掺杂的或n-掺杂的。 吸收薄膜沉积在ETHBM上。该吸收材料能够是Si，Ge，SiGe合金， CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，Cu2S，FeS2，SnS等。该吸收材料的厚度能够 为约50nm至约5000nm。该材料能够采用如实施例14中描述的许 多方法进行沉积。空穴传输电子闭锁材料(HTEBM)膜采用真空 方法诸如溅射法或蒸发沉积或溶液沉积方法在吸收材料上沉积厚 度为约100nm至约1000nm。HTEBM能够是各种材料如NiO， Cu2O3，CuI，CuSCN，CuPC等。最后，顶电极沉积在第三材料上。该 顶电极能够通过诸如溅射法、蒸发沉积、丝网印刷、涂刷、薄膜层 压等方法进行沉积。
实施例18
除了没有ETHBM之外与实施例17的器件相同。
实施例19
除了没有ETHBM之外与实施例17的器件相同。
实施例20
该器件结构设计除了纳米复合物材料之外类似于实施例3。在 该实施例中，纳米复合物材料由纳米孔采用溶液沉积法用第二材料 填充的第一材料组成。能够制成纳米孔的第一材料的实例是Si，Ge， SiGe合金，金属氧化物如ZnO、TiO2、SnO2、WO3、Fe2O3，金属 硫化物如FeS2、SnS、Cu2S，包括IV族半导体物质如FeSi2等的半 导体材料。在一个实施方式中，纳米孔Si的纳米孔用Ge填充。在 另一个实施方式中，纳米孔Si或纳米孔Ge的纳米孔用金属氧化物 如ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3等填充。在另一个实施方式中，纳 米孔金属氧化物如ZnO，TiO2，SnO2，WO3，Fe2O3等的纳米孔用以下 材料之一填充：Si，Ge，SiGe合金，CuO，Cu2O，FeO，Fe2O3，Cu2S。
实施例21
该器件结构设计除了空穴传输电子闭锁材料(HTEBM)层放置 于纳米复合物和顶电极之间之外类似于实施例20。该HTEBM采用 真空方法诸如溅射法或蒸发沉积或溶液沉积方法沉积成约100nm 至约1000nm的厚度。HTEBM的实例有NiO，Cu2O3，CuI，CuSCN， CuPc，ZnPc等。
最后，顶电极沉积在HTEBM上。该顶电极能够通过诸如溅射 法、蒸发沉积、丝网印刷、涂刷、薄膜层压等方法进行沉积。
实施例22
除了没有ETHBM之外与实施例21的器件相同。
人们也应该理解到本文描述的实施例和实施方式都是出于举 例说明的目的，对于本领域的技术员来说各种修改或变化是显而易 见，也包括在本申请的精神和范围以及附加权利要求的范围内。
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年5月15日以Howard W.H.Lee的名字提交 的共同拥有的美国临时专利申请号60/800,801的优先权，用于所有 目的，其结合于此作为参考。