KR20100051055A - 측방향 수집 광기전력 변환소자 - Google Patents

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욱준 남
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솔라리티, 아이엔씨.
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Abstract

마이크로 및 나노 수집 요소들을 기초로 하는 측방향 수집 광기전력 변환소자(LCP) 구조물들이 광생성 캐리어들을 수집하도록 사용되며, 여기에서 수집 요소들의 위치는 고상 결정화를 겪도록 재료 내로 교호하는 깊이 트렌치 패턴의 패턴 이송에 의해서 수집 요소들의 위치가 결정되고, 한 깊이는 전극의 요소들에 대응하고, 다른 깊이는 카운터 전극의 요소들에 대응한다. 금속 전극 수집 요소들중 적어도 하나는 트렌치들이 형성되는 주변 재료의 고상 결정화를 향상시키도록 기능할 수 있다.

Description

측방향 수집 광기전력 변환소자{Lateral Collection Photovoltaics}
본 발명은 일반적으로 전자 및 광전자장치들에 관한 것이며 그리고 나노 구조의 상호연결된 공극 용적 내에 위치하는 유기/무기 금속, 반도체 또는 절연체를 갖는 나노 구조 고 비표면적 다공성 박막들의 상호침투형 네트워크 구성으로부터 전자 및 광전자장치들을 제조하기 위한 제조방법에 관한 것이다. 본 출원은 보다 상세하게는 측방향 수집 광기전력 변환소자(Lateral Collection Photovoltaics; LCP) 구조물에 관한 것이다.
오늘날, 고 비표면적 재료를 제공하기 위해서 나도입자들이 제안 및 사용되고 있다. 그들이 제공하는 큰 표면적 이외에, 나노입자들은 예를 들어 다음의 광전자 및 전자 응용분야, 즉 (a) 광기전력 변환소자 및 광검출기로서의 응용을 위한 전하 분리 기능; (b) 발광장치로서의 응용을 위한 전하 방출기능; (c) 캐패시터들을 위한 전하 저장기능; 및 (d) 접촉 분자 전자 구조물로서의 응용을 위한 옴 접촉형 기능(ohmic contact-like functions)에서 활용될 수 있는 고 인터페이스 영역을 얻기 위해서 유기/무기 반도체/절연체 재료들(나노 복합 장치들)에 임베디드될 수 있다.
그러나 나노입자들을 이용하는데에는 여러가지 어려움이 있다. 이 어려움들은 나노입자들의 취급, 전자 및 광전자적 사용을 포함하며, 또한 전기적 접촉을 어떻게 달성할지에 대한 의문을 포함한다. 나노입자 복합 장치들로부터 광전자 장치들을 제조하기 위한 한가지 방법은, 절연된 나노입자들을 유기 재료의 매트릭스 내로 확산시키는 것이다. 각각의 나노입자 및 나노 입자들은 전기적 및 광전기적 기능을 위해서 외부에 전기적으로 연결되어야(전극들의 세트에 의해서) 한다. 이것은 나노 입자들이 배열되고 연속적인 전기적 경로들을 제공하는 전극들에 이 입자들이 상호연결되는 경우에 달성된다. 그런데, 절연된 나노입자들의 사용은, 비록 나노입자들의 부피 분율이 1에 근접할지라도 나노입자들이 양호한 전기적 접촉을 이루는 것에 있어서 빈번한 실패를 경험하게될 것이다.
종래의 광기전력 변환소자 작동은 도 1에 도시된 기본적인 수평 구조물의 몇몇 버전을 사용한다. 여기에서는 빛이 수평층들에 충돌하고 그 결과 광생성 전자 및 정공들이 발생하고, 광생성 엑시톤들(excitons)로부터 전자 및 정공들이 발생하고, 아니면 (+)전하 수집 전극(양극)에서 수집된 양전하 및 (-)전하 수집 전극(음극)에서 수집된 음전하에 의해서 전하 분리된다. 도 1에 도시된 구조물에 있어서, 장치는 p-타입 및 n-타입 고체 반도체 재료로 구성되는데, 반도체 재료는 광흡수제로서 그리고 전하분리를 위한 구동메카니즘을 제공하는 소위 빌트-인 전기장을 조성하는 접합부 형성체(junction-formers)로서 기능한다. 다른 수평 구조물들은 전하 분리를 구동하기 위해서 빌트-인 전기장 메카니즘을 구비하거나 구비하지 않은 상태로 전자 및 정공 친화도 차이들(밴드 스텝들(band steps) 또는 밴드 오프-세트들(band off-sets))을 사용할 것이다. 도 1에 도시된 광기전력 변환소자 작용에 있어서, 전하분리에 의해서 하나의 전극에서는 전자들이 수집되고 다른 전극에서는 음극(도 1에서 바닥)과 정공들이 수집되고 양극(도 1에서 상부)은 외부에 대하여 일(예를 들면, 도 1에서 백열전구(light bulb)를 밝히는 것)을 할 수 있는 전류를 생성하게될 것이다.
수평 광기전력 변환소자 구조물들은 2개의 길이들로서 설명될 것이며, 이는 빛이 효과적으로 흡수되기 전에 능동(흡수제) 층(들), 즉 도 1에 도시된 p-타입 및 n-타입 층들 내로 빛이 관통하는 거리인 흡수 길이와, 광생성 전하 캐리어들이 분리되고 외부적으로 사용하기 위해서 전자들에 연결되는 능동층(들)에서의 거리인 수집 길이로서 설명될 것이다. 엑시톤들의 광발생의 경우에 있어서, 고려될 수집길이는 일반적으로 엑시톤 확산 길이이다. 엑시톤 확산 길이는 엑시톤들이 확산에 의해서 어떻게 멀리 이동하는가를 나타낸다. 도 1에 도시된 것과 같은 수평 구조물들에서 수집 및 흡수 길이는 서로에 대하여 필수적으로 평행하다. 수평 구조물들에 있어서, 비록 하나 또는 둘 모두가 전해질 또는 전해질과 고체의 몇몇 조합이 될 수 있을 지라도, 전극들은 일반적으로 고체들이다. 전극들은 다공성 고체 구조물 또는 비다공성 및 다공성 재료의 몇몇 조합이 될 수 있다.
도 1에 도시된 수평 구조물에서의 흡수 길이 및 수집 길이가 필수적으로 평행하다는 것은 이들이 독립적이지 않다는 것을 의미한다. 도 1에 도시된 것과 같은 수평 구조물들에 있어서, 효과적인 광기전력 변환 작용을 위해서는, 상부 활성층의 적절한 수집 길이 또는 길이들은 상부 활성층에서의 흡수에 의해 발생된 캐리어들이 수집될 수 있기에 충분할 정도로 길어야만 하며, 바닥 활성층의 적절한 수집 길이 또는 길이들은 바닥 활성층에서의 흡수에 의해 발생된 캐리어들이 수집될 수 있기에 충분할 정도로 길어야만 하며, 효과적인 작용을 위한 재료에서처럼 흡수길이가 길어야 한다.
도 1의 수평 구조물의 다른 대안은 실리콘(Si) 웨이퍼 재료를 사용하는 단일 결정 실리콘 구조물을 사용하는 측방향 수집 방법이다. Sliver® 태양전지는 이러한 개념을 바탕으로 개발되었다. 그런데, 이러한 측방향 수집 방법은 단일 결정 웨이퍼 실리콘을 사용하게 된다. Sliver® 방식의 목표는 태양전지에 대하여 필요한 고가 Si의 양을 줄이기 위해서 종래의 실리콘-웨이퍼 타입 재료를 사용하되 측방향 수집을 이용하는 것이다.
이 공정에 있어서, 단일 결정 실리콘은 예를 들어 50μm 두께, 100mm 길이, 및 1 mm 깊이 스트립들이다. 주변의 실리콘은 이러한 스트립들을 함께 유지시킨다. Sliver® 태양전지는 종래의 실리콘 기술을 사용하나, "조각(slivered)" 구성이다.
여기에서 제시한 개시된 장치 및/또는 방법들이 의도하고 있는 장점들은 비교적 저가재료로 바람직하게 제조되는 광기전력 변환소자 구조물의 개선을 위한 구성을 공지하는 것이다. 다른 특징과 장점들은 본 명세서를 통해서 명백하게 밝혀질 것이다. 하기 실시 예들에 관하여 서술하는 내용들은 위에서 언급한 필요성들중 하나 또는 그 이상을 달성하는지의 여부에 관계없이 특허청구범위의 영역 내에 있다.
본 출원은 "슬리버링(slivering)" 방법과 같은 다른 기술들과는 반대로 높은 비표면적 재료들을 사용하여 해당 기술분야의 문제점들중 일부를 해결하고자 한 것이다. 배치된 높은 비표면적 재료들은 전기적으로 쉽게 접촉되는 유지가능한 고 인터페이스 영역을 허용한다.
본 출원은 전도체 또는 전도성 기판이나 기판 상의 패턴된 세트 전극들에 나노구조 또는 마이크로구조의 높은 비표면적 재료를 위치시키는 단계를 포함한다. 이러한 나노 구조물(또는 마이크로구조)의 기본 요소들(빌딩 블록들)은 전도체에 대하여 전기적 연결성을 가지면서 높은 비표면적에 기여하는 공극 매트릭스에 삽입된다. 일단 막 재료의 공극 네트워크가 활성 재료로 채워지면, 복합물이 고 인터페이스 영역에 형성된다. 또한, 복합 구조물의 각각의 성분은 그에 부합하여 연결된다. 그러므로, 인터페이스를 포함하는 복합 장치의 소정 영역은 외부에 대하여 연속적인 전기적 연결을 갖는다.
본 출원의 일 실시 예는 나노구조(또는 마이크로나노구조)의 높은 비표면적 재료와 유기/무기 매트릭스 재료의 상호침투 네트워크로부터 전자/광전자 장치를 제조하는 방법에 관한 것이며, 이는 (a) 이러한 막재료의 소정 영역이 형태학으로 인하여 전극 기판에 대한 전기적 연결성을 갖도록 전극 기판(또는 패턴된 전극기판) 위로 높은 비표면적 막 재료를 얻는 단계를 포함한다.
예를 들면, 막 재료는 전극 기판에 대해서 전기적으로 연결되고 공극 매트릭스에 의해서 분리된 나노 및/또는 마이크로-돌출부의 배열을 포함할 것이다. 또한, 상기 방법은 (b) 유기/무기 고체 또는 액체 재료로 높은 비표면적 막의 공극 매트릭스를 채우는 단계l; 그리고 (c) 공극 매트릭스에 삽입된 유기 또는 무기 내부-공극 재료 위로 전극 또는 전극들의 세트를 한정하는 단계를 포함한다.
본 출원의 다른 실시 예는 측방향 수집 광기전력 변환소자(LCP) 구조물에 대한 나노 및/또는 미세돌출 수집 요소들과 공간의 어레이를 이용한다. 수집 요소들은 몇몇 실시 예들에 있어서 금속, 반도체 또는 이들 모두가 될 것이며, 절연체들이 개입될 것이다. 실시 예들중 한 세트에 있어서, 수집 요소들(양극과 음극을 구성)은 전도성 층이나 기판상에 배열되는데, 이 경우에 이들은 전도체에 대하여 전기적으로 물리적으로 접촉하게 된다. 그러한 구성에 있어서, 요소들과 전도체의 어레이는 전극을 구성한다. 수집 요소들은 또한 전도체로서 기능하고 그러므로 다른 실시 예에서 완벽한 전극이 된다. 이러한 수집 요소들은 전도체에 대하여 대체로 수직하다. 상기한 실시 예들 모두에 있어서, 흡수제 또는 보다 일반적으로는 활성 재료가 컬렉터 요소들 사이에 배치된다. 여기에서 사용된 바와 같이, 활성 재료는 하나이상의 흡수제 재료들을 갖는 재료를 포함할 것이며, 이때 흡수제 재료는 하나 이상의 컬렉터(분리기) 재료들 또는 활성 재료와 전극들 또는 반도체들 사이에서 인터페이스 접촉을 개선하는 재료들과 결합하거나 혹은 결합하지 않는다. 모든 컬렉터 요소들 및 흡수제 또는 활성 재료들이 에칭, 물리적인 증착, 화학적 증착, 제자리 성장, 스탬핑(stamping) 또는 임프린팅(imprinting)을 포함하는 그러한 방식으로 배치된다. 컬렉터 요소 재료는 흡수제로서 기능할 도체 혹은 반도체가 될 수 있다. 이러한 응용은 컬렉터 구조 및 그것의 요소들에 대하여 몇몇의 다른 형상들을 포함할 것이다. 인터-컬렉터 요소가 위치된 흡수제나 활성 재료는 유기 혹은 무기 그리고 결정질(단결정 혹은 다결정) 혹은 비정질이 될 것이다. 흡수제나 활성 재료는 고체나 액체, 혹은 이들의 조합이 될 것이다. 다른 실시 예에 있어서, 수집 요소들은 나노입자 촉매제나 불연속 촉매제 막으로부터 성장한 나노 입자들이다. 수집 요소들은 이러한 실시 예들에 있어서 전도체에 대하여 수직하게 배열될 필요는 없다.
측방향 수집 개념에 대한 실시 예들의 다른 세트에 있어서, 기판은 전도체가 되지 않고 양극과 음극 요소들이 나란히 측방향으로 배열된다. 측방향 수집 개념에 대한 실시 예들의 다른 세트에 있어서, 나노 및/또는 마이크로-크기 수집 요소들의 어레이로 구성되는 적어도 양극이나 음극은 소정의 전도성 기판에 대하여 직접적인 물리적 및 전기적 접촉을 갖지 않는다. 일 실시 예에 있어서, 하나의 전극은 전도체가 각각의 컬렉터 요소의 일부인 절연체에 의해서 대향하는 전극으로부터 분리되는 복합물이며, 이때 대향하는 전극은 표면을 덮는 전도체이다. 다른 실시 예에 있어서, 수집 구조물은 측방향 연결을 위한 양극 및 음극 수집 요소들 모두를 포함하는 복합물이다. 대향하는 전극은 표면을 덮는 전도체와 접촉하거나 접촉하지 않는다.
다른 실시 예는 제 1 전도성 층, 제 1 전도성 층과 물리적 및 전기적으로 접촉하는 수집 구조물, 제 1 전도성 층에 인접하에 배치되어 수집 구조물의 모든 면과 접촉하는 활성층, 및 제 1 전도성 층에 반대로 배치되고 활성층과 접촉하는 제 2 전도성 층을 갖는 광기전력 변환소자 장치에 관한 것이다. 활성층은 흡수 길이 및 수집 길이를 갖는다. 수집 구조물은 전도성 층에 대하여 대체적으로 수직하게 배치된 다수의 컬렉터 요소들을 포함한다. 다수의 컬렉터 요소들은 활성층의 흡수 길이에 대응하는 거리만큼 제 1 전도성 층으로부터 연장되고, 다수의 컬렉터 요소들은 활성층의 수집 길이의 2배에 대응하는 거리만큼 이격된다.
여기에서 설명한 실시 예들의 몇몇 장점들은 광기전력 전지 사용과 같은 전력발생에서의 응용이다. 개시된 실시 예들은 광검출기들, 화학적 센서들, 전자발광장치들 및 발광 다이오드 구조물로 응용될 수 있다. 전자발광장치들 및 발광 다이오드 구조물의 경우에 있어서, 캐리어 유동 방향은 광기전력 변환소자 장치들로부터 역전되고 캐리어들이 수집되는 대신에 방출된다. 큰 전극 영역들과 다양한 전극 구성들을 갖는 개시된 실시 예들은 화학적 배터리들, 연료전지들 및 캐패시터들에 응용될 수 있다.
대안적인 실시 예들은 다른 특징들에 관한 것이고, 특징들의 조합은 특허청구범위에서 일반적으로 다시 인용된다.
도 1은 종래의 광기전력 변환소자를 채용한 종래기술 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 측방향 수집 광기전력 변환소자 구조물을 나타낸 도면이다.
도 3은 컬럼형 요소들을 갖는 수집 구조물을 나타낸 도면이다.
도 4는 벌집형 요소들을 갖는 수집 구조물을 나타낸 도면이다.
도 5는 핀(fin)형 요소들을 갖는 수집 구조물을 나타낸 도면이다.
도 6은 비정질-Si를 사용하는 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 컬렉터 요소들 사이에 위치한 촉매제 층을 사용하는 흡수 활성층의 성장을 나타낸 도면이다.
도 8은 기판 상의 패턴된 촉매제를 나타낸 도면이다.
도 9는 VLS방법에 의해서 성장한 컬럼/로드를 나타낸 도면이다.
도 10은 광기전력 변환소자 구조물의 활성층에 임베디드된 촉매제 나노입자들로부터 성장한 나노요소들을 나타낸 도면이다.
도 11은 광기전력 변환소자 구조물의 활성층에 임베디드된 불연속 촉매제 막으로부터 성장한 나노요소들을 나타낸 도면이다.
도 12는 측방향 수집 광기전력 변환소자 장치의 전극구조물을 나타낸 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 측방향 수집 광기전력 변환소자 장치의 단면도이다.
도 14는 하나의 전극은 제 2 전극 위에 위치하고 제 2 전극은 기판 위에 위치하는 복합 전극 구조물을 나타낸 도면이다.
도 15는 도 14에 도시된 복합 전극 구조물을 갖는 광기전력 변환소자 장치의 단면도이다.
도 16은 각각의 성분이 두 전극들을 포함하는 복합 전극 구조물을 나타낸 도면이다.
도 17은 도 16에 도시된 복합 전극 구조물을 갖는 광기전력 변환소자 장치의 단면도이다.
도 18은 전극들을 분리시키는 절연체를 갖는 광기전력 변환소자 장치의 단면도이다.
도 19A 내지 도 19H에는 한 세트의 전극 요소들은 SPC 촉매재와 전극으로서 기능하고 다른 세트의 전극 요소들은 반대 전극으로서 기능하는 금속 유도 고상 결정화를 사용하여 조립된 예시적인 측방향 수집 구조물을 나타낸 도면이다. 이 예에 있어서, Ni는 a-Si의 고상 결정화를 유도하기 위해서 전극 요소들중 한 세트에 대하여 채용된다. 이 실시 예에 있어서, 구조물을 생성하기 위한 처리과정은 추후에 SPC를 거치도록 재료와 교체되는 희생재료로부터 시작한다.
도 20은 대안적인 양극 및 음극 측방향 수집 요소들의 배열을 나타낸 도면이다.
도 21은 한 세트의 전극 요소들은 SPC 촉매재와 전극으로서 기능하고 다른 세트의 전극 요소들은 반대 전극으로서 기능하는 금속 유도 고상 결정화를 사용하여 조립된 예시적인 측방향 수집 구조물을 나타낸 도면이다. 이 실시 예에 있어서, 구조물을 생성하기 위한 처리과정은 SPC를 거치도록 존재하는 재료로부터 시작한다.
도 22는 한 세트의 전극 요소들은 금속 촉매제 유도 SPC로서 기능하고 다른 세트의 전극 요소들은 반대 전극으로서 기능하는 금속 고상 결정화를 사용하여 조립된 예시적인 측방향 수집 구조물을 나타낸 도면이다. 이 구조물에 있어서, 제 1 세트의 전극 요소들의 전자증착을 위한 시드층이 기판을 가로질러서 배치되고 두 깊이들의 트렌치들이 패턴 이송을 시작하도록 레지스트 내로 임프린팅된다.
도 23A 내지 23H는 한 세트의 전극 요소들은 SISPC 촉매제로서 기능하고 다른 세트의 전극 요소들은 반대 전극으로서 기능하는 실리콘 유도 고상 결정화를 사용하여 조립된 예시적인 측방향 수집 구조물을 나타낸 도면이다. 이 실시 예에 있어서, 제 1 세트의 전극 요소들에 대한 저온 Si성장 및 SISPC 촉매제로서 기능하기 위한 VLS 촉매제층이 제 1 세트의 트렌치들의 바닥에 배치된다.
도 24A 내지 도 24H는 예시적인 측방향 수집 구조물을 나타내고 그것의 필요한 처리과정은 존재하는 희생재료로부터 시작하는 것을 제외하고는 도 23A 내지 도 23H에 도시된 것과 유사한 것을 나타내는 도면들이다. 그러면 이것은 SISPC에 의해서 결정화될 재료가 배치되기 전에 VLS 촉매제 재료가 식각될 수 있게 한다.
도 25는 한 세트의 전극 요소들은 SISPC 촉매제로서 기능하고 다른 세트의 전극 요소들은 반대 전극으로서 기능하는 실리콘 유도 고상 결정화를 사용하여 조립된 예시적인 측방향 수집 구조물을 나타낸 도면이다. 이 실시 예에 있어서, 제 1 세트의 전극 요소들에 대한 저온 Si성장 및 SISPC 촉매제로서 기능하기 위한 VLS 촉매제층이 전체기판을 가로질러서 배치된다.
도 26은 한 세트의 전극 요소들은 SISPC 촉매제로서 기능하고 다른 세트의 전극 요소들은 반대 전극으로서 기능하는 실리콘 유도 고상 결정화를 사용하여 조립된 예시적인 측방향 수집 구조물을 나타낸 도면이다. 이 실시 예에 있어서, 제 1 세트의 전극 요소들의 Si의 VLS 성장을 위한 촉매제가 기판을 가로질러서 배치되고 두 깊이들의 트렌치들은 패턴 이송을 시작하도록 레지스트 내로 임프린팅된다.
도 27A-27H은 금속 시드, VLS 촉매제를 사용하여 조립되거나 두 층들이 전체 기판을 가로질러서 배치되는 예시적인 측방향 수집 구조물을 나타낸 도면들이다.
2개의 트렌치 깊이들이 레지스트 내로 임프린팅된다. 제 1 세트의 전극 요소들은 레지스트에 최하부 금속층에 이도록 깊은 트렌치 세트를 식각하고 전자증착이나 VLS에 의해서 전극 요소들을 성장시킴에 의해서 달성된다. 제 2 세트의 전극 요소들은 레지스트에 있는 얇은 트렌치를 최인근 금속층에 이르도록 식각하고 전자증착이나 VLS에 의해서 반대 전극의 전극 요소들을 성장시킴에 의해서 달성된다.
가능한한, 동일한 참조 부호들이 도면 전체에 걸쳐서 동일하거나 유사한 부분들을 언급하도록 사용될 것이다.
도 2는 측방향 수집 광기전력 변환소자 구조물을 나타낸 도면이다. 도 2의 측방향 수집 구조물은 도 2의 구조물에 개입된 수집 길이들이 흡수 길이에 대하여 필수적으로 수직한 것을 제외하고는 도 1의 수평 구성의 많은 특징들을 갖는다. 그러므로, 수집 길이와 흡수 길이는 서로 독립적이다. 도 2의 측방향 수집 구조물은 필수적으로 모든 활성 재료의 수집 길이 내에서 수집 인터페이스를 가질 수 있다. 도 2의 측방향 수집 구조물은 미합중국 특허 제 6,399,177 호, 제 6,919,119 호 및 미합중국 특허출원 공개번호 제 2006/0057354 호에 상세하게 개시되어 있고, 이 특허들및 특허출원공개공보는 본 출원서에서는 참조로서 통합된 것이다.
도 2의 측방향 수집 태양광 구조물은 막 재료, 금속, 반도체 또는 큰 인터페이스영역을 형성하는 절연체 재료의 상호침투형 네트워크로부터 제조될 수 있다. 높은 비표면적 재료는 컬렉터 구조물(110), 즉 하나이상의 컬렉터 수단들의 어레이, 예를 들면 비-전도성 기판(114) 상에 있는 전도성 층(112) 상에서 공극들이나 공극 매트릭스에 의해서 분리되는 나노- 및/또는 마이크로-돌출부들의 어레이를 포함할 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 기판은 전도성 재료가 될 수 있고 전도성 층으로서 작용할 수 있다. 컬렉터 구조물(110)과 전도성 층(112)의 조합은 광기전력 변환소자 구조물에 대한 전극으로서 작용할 수 있다.
나노- 및/또는 마이크로 돌출부들은 나노- 및/또는 마이크로-크기 기초 요소들이 각각 전도성 층이나 전도체(112)에 대한 연속적인 전하 전도경로들을 가지거나 또는 전도체의 역할을 수행하는한, 다양한 다른 지형학들을 가질 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, 나노-규모는 약 1nm 내지 약 100nm 범위의 칫수를 언급하고 마이크로-규모는 약 100nm 내지 1000μm 사이의 칫수들을 언급한다. 공극 용적은 유기/무기 반도체 재료와 같이 적절한 활성층(116)으로 채워질 수 있다. 제 2 전도체(전도체들의 제 2 세트와 접촉하는 나노- 및/또는 마이크로돌출 요소들의 세트)(118)는 장치 카운터 전극을 형성하는 활성층(116) 위로 위치한다. 외부세계에 대한 연결을 제공하기 위해서 접점들(105)이 전도체들(112,118)과 전기적으로 연결된다.
다른 실시 예에 있어서, 용적 막 재료에 대한 고표면적의 기본 요소들은 나노 구조물들, 예를 들면 나노튜브들, 나노로드들, 나노와이어들, 나노컬럼들 또는 그것의 집합체들, 지향된 분자들, 원자들의 사슬, 분자들의 사슬, 풀러린들(fullerenes), 나노입자들, 나노입자들의 집합체들, 및 그것 또는 마이크로구조물들의 소정 조합들을 포함할 수 있다. 용적 막에 대한 높은 표면적의 기본 재료들은 실리콘, 이산화실리콘, 게르마늄, 게르마늄 산화물, 인듐, 주석, 갈륨, 카드뮴, 셀레늄, 텔루륨, 그것의 합금 및 화합물들, 탄소, 수소, 산소, 반도체들, 절연체들, 금속, 세라믹, 중합체들, 다른 무기 재료, 유기재료, 또는 그것의 소정 조합들을 포함할 수 있다. 용적 막에 대한 고 표면적의 전극-요소 구조가 예를 들어 화학증기증착, 플라즈마-풍부 화학증기증착, 물리증기증착 또는 전자기증착에 의해서 전도성 층(112) 위 또는 패턴된 기판(만약 기판이 전도성을 갖는다면) 위로 증착될 수 있다. 또한, 막은 식각이나 전자화학 식각에 의해서 얻어질 것이다.
활성층 재료는 유기 및 무기반도체들, 반도체 입자들, 금속 입자들, 유기금속, 자체결합 분자층, 결합 중합체 및 이들의 소정조합을 포함할 것이다. 활성층 재료 또는 그것의 전구체들은 용매내에 액체 형태, 용융 형태로 용해되거나 전자화학적 수단에 의해서 용해될 것이다. 또한, 활성층 재료는 얇은 막 재료를 활성층 재료 또는 그것의 전구체들의 증기에 노출시킴으로써 공극 매트릭스 내로 삽입될 것이며, 따라서 공극 매트릭스 내부를 응축시키도록 증기를 발생시키게 된다. 그러한 증기는 분무화를 포함하는 화학증기증착 및 물리증기증착 기술들에 의해서 생성될 것이다.
전술한 바와 같이, 빛(101)이 수평층들에 충돌하고 그 결과 광생성 전자 및 정공들이 발생하고, 광생성 엑시톤들(excitons)로부터 전자 및 정공들이 발생하고, 아니면 (+) 전하 수집 전극(양극)에서 수집된 양전하 및 (-) 전하 수집 전극(음극)에서 수집된 음전하에 의해서 전하 분리된다. 광검출 작용을 위하여, 전하분리는 전자들이 하나의 전극, 즉 음극으로 이동하고 정공들이 다른 전극, 즉 양극으로 이동하여 전류를 발생시키는 결과를 초래하게 된다. 상기한 바와 같이, 컬렉터 구조물(110)과 전도성 층(112)은 양극이나 음극으로서 작용할 수 있다.
만일 광여기에 의해서 엑시톤들이 생성되면(즉, 광생성), 수집 구조물(110)의 컬렉터 요소들은 컬렉터 요소 표면들에서 자유 전자나 정공 쌍으로 엑시톤 변환을 달성하기 위해서, 활성 영역(116)에 있는 전자들과 정공들로 변환되지 않는 소정 엑시톤들을 수집할 수 있다(활성층(116)에서의 확산에 의해서).
엑시톤들의 수집은 측방향 엑시톤 수집 길이를 조성한다. 만일 활성층(116)이 다중의 성분들로 구성되면, 측방향 엑시톤 수집 길이는 효과적인 엑시톤 수집 길이가 된다.
만일 엑시톤들과 정공들이 광여기에 의해서 직접적으로 생성되거나(즉, 광발생) 아니면 활성재료를 깨뜨리는 광생성 엑시톤들에 의해서 생성되면, 수집 구조물(110)의 컬렉터 요소들은 (활성층(116)에서 드리프트(drift), 밴드 에지 변환(band edge variations), 확산 및 그것의 소정 조합에 의해서) 컬렉터 요소 표면들에 자유전자들이나 정공들을 수집할 수 있다. 전자들이나 정공들의 수집은 측방향 자유 캐리어 수집 길이를 가능하게 한다. 만일 활성층(116)이 다중의 성분들로 구성되면, 측방향 자유 캐리어 수집 길이는 효과적인 자유 캐리어 수집 길이가 된다. 일반적으로, 자유 캐리어(전자와 정공들)의 선택은 컬렉터 구조물(110)에 대한 내부 요소 어레이 공간(C)을 결정하는데, 이는 자유 캐리어가 부족한 운동성이나 부족한 수집길이를 갖는 것을 기초로 한다. 만일 엑시톤들이 수집 요소 표면들에 의해서 파괴되면, 수집 구조물(110)은 엑시톤 수집길이가 수집 구조물(110)의 내부 요소 배열 공간(C)의 절반 이하가 되도록 설계될 수 있다. 수집 구조물(110)에 의해서 취해지지 않는 다른 자유 캐리어들(전자들이나 정공들)은 카운터 전극에 대하여 가장 긴 수직 수집 길이를 갖는다.
만일 엑시톤들이 컬렉터 요소 표면들에서 수집된 주요한 독립체들이라면, 수집 구조물(110)은 측방향 수집 길이를 결정하는 엑시톤들에 따라서 설계될 수 있고, 이에 의해서 내부 요소 또는 컬렉터 구조물 배열 공간(C)을 결정하게 된다. 만일 자유 캐리어들이 컬렉터 요소 표면들에서 수집된 주요한 독립체들이라면, 수집 구조물(110)이 설계될 수 있고 그래서 수집된 캐리어는 낮은 운동성을 갖는다. 이러한 경우에 있어서, 자유 캐리어의 수집 길이는 측방향 수집 길이이고 측방향 수집 길이는 컬렉터 구조물 간격(C)을 결정한다. 수집 구조물의 수집 요소들이 엑시톤들이나 자유 캐리어들을 수집하는 경우, 수집 구조물(110)은 활성재료 전체의 적절한 수집 길이 내에서 수집 인터페이스를 제공한다. 수집 구조물(110)은 흡수제가 되거나 되지 않을 것이다. 이러한 유연성은 수집 구조물(110)(그리고 그것의 대응하는 컬렉터 요소들)이 흡수제가 되지않도록 선택되었다면 입사광(101)에 대하여 적어도 하나의 치수(W)를 제공하므로 나노-크기가 되고 이에 의해서 최소화된 데드(dead)(광흡수 없음) 용적이 조성될 것이다. 수집 구조물(110)에 대하여 사용되는 재료에 따라서, 수집 구조물(110)은 광생성 독립체들(엑시톤들 및/또는 자유 캐리어들)을 수집하는 것에 추가하여, (1) 흡수제가 되거나, (2) 향상된 광반사 및 트래핑에 사용되거나, (3) 양자점(quantum dots), 단층 또는 다른 재료들을 부착시키는데 사용되거나, (4) 흡수공정과의 상호작용을 위한 프라스몬(plasmons)에 대한 공급원으로서 사용될 것이다. 또한, 활성재료들은 전도체 재료들로서 작용하는 바와 같은 위에서 언급한 모든 가능성들을 갖는다.
응용의 측방향 수집 구조물들에 대하여 다양한 형상들이 사용될 것이다. 도 3 내지 도 5에는 수집 구조물들(110)(및 대응하는 컬렉터 요소들)의 3개 실시 예들이 도시되어 있다. 도 3 내지 도 5의 수집 구조물 실시 예들 및 조합 및 그 변형들이 컨덕터(112) 상에 배치된다. 그런데, 도 4 및 5의 실시 예들에 있어서, 수집 구조물(110)은 전도체가 없는 전극으로서 기능할 것이며, 기판(114) 상에 직접적으로 배치될 것이다.. 도 3에는 도 2의 것과 유사한 컬럼형 컬렉터 요소들의 배열로 구성된 수집 구조물이 도시되어 있다.. 도 4에는 "벌집형" 컬렉터 요소들의 배열로 구성된 수집 구조물이 도시되어 있고, 반면에 도 5에는 "핀(fin)형" 컬렉터 요소들의 배열로 구성된 수집 구조물이 도시되어 있다. 도 3 내지 도 5에는 수집 구조물들(110)의 몇몇 예들이 도시되어 있지만, 다른 적당한 측방향 수집 구조물이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
수집 구조물들(110)이 태양전지에서 사용되는 경우에, 도 3 내지 5에서 볼 수 있는 특징적인 배열 공간 치수(C)는 컬렉터 요소들 사이의 공극들이나 영역들 또는 내부-컬렉터 요소 지역을 채우도록 사용된 활성 재료의 측방향 수집 길이(적절하게는 엑시톤 또는 자유 캐리어)의 약 2배가 되도록 선택될 수 있다. 도 3 내지 도 5에 나타낸 내부 컬렉터 요소 지역에 배치된 활성재료는 이러한 실시 예들의 수집 또는 컬렉터 구조물(110)과의 연결을 위한 인터페이스를 갖는다. 도 3 내지 도 5에 도시된 치수(A)는 적절한 경우에 활성(또는 흡수제) 재료의 흡수 길이와 수직 수집 길이를 기초로 한다. 알수있는 바와 같이, 활성 재료들은 흡수제 재료 또는 재료들을 포함하고, 유기 또는 무기 반도체 재료들, 광흡수 분자들의 조합이 될 것이며, 양자점 또는 플라스몬 발생 금속 입자들 또는 그 몇몇 조합과 같은 나노입자들, 염색제들을 포함할 것이다. 도 3 내지 도 5의 수집 구조물들(110)을 기초로한 광기전력 변환소자 구조물에서 전극들의 전도체들이나 요소들중 하나 또는 모두는 예를 들어 산화주석, 산화아연 또는 산화인듐주석을 함유하는 투명한 전도재료일 것이다. 반사 구조물들은 뒤쪽에 구성되거나 또는 전극들의 전도체들중 하나를 사용하여 구성될 것이다. 컬렉터 구조물(110)은 전체 전극 반사기/광 트래핑 구조물 또는 모두가 될 것이다(즉, 컬렉터 구조물에 연결된 전도층이 존재하지 않는다).
도 3 내지 도 5의 수집 구조물(110)을 기초로한 광기전력 변환소자 구조물에 있어서, 활성 재료들은 측방향 수집 길이의 2배의 순서로 적어도 하나의 치수 C를 가지며, 흡수 길이, 적절한 경우 수집 수집 길이의 순서로 다른 치수 A를 갖는다. 수직한 수집 길이가 개입되는 경우, 치수 A는 흡수길이와 수직 수집 길이보다 작을 수 있다. 도 3 내지 도 5의 수집 구조물(110)을 기초한 광기전력 변환소자 구조물에 있어서, 활성(흡수제) 및 컬렉터 재료는 식각 및/또는 증착, 제위치 성장, 스탬핑 또는 임프린팅과 같은 기술들을 사용하여 제조될 수 있다. 사용될 증착기술들은 화학증기증착, 전자화학 성장방법을 포함하는 액체 증착 및 물리화학증착법을 포함할 것이다.
활성재료는 컬렉터 구조물(110)의 수집 요소들 가운데 존재한다. 활성재료는 다수의 방법들을 사용하여 형성될 것이다. 몇몇의 설명, 그러나 전체는 아니고 그러한 방법이 하기에서 제공된다.
활성재료는 증착된 박막 비정질 실리콘(a-Si:H)이 될 것이다. 통상적인 a-Si:H은 약 0.1μm 내지 약 1μm의 수집 길이 그리고 약 1μm보다 작은 흡수 길이를 가질 수 있다. 도 6에는 도 3 내지 도 5의 컬렉터 구조물(110)(단면으로 도시됨)의 컬럼형, 벌집형 또는 핀형 컬렉터 요소들을 통합한 광기전력 변환소자 장치 또는 전지의 실시 예가 도시되어 있다. 컬렉터 구조물의 컬렉터 요소들 사이의 배열 공간은 약 0.2μm 내지 약 2μm의 범위, 예를 들면 a-Si:H 재료에 대하여 마이크로 크기의 범위에 있다. 도 6의 실시 예의 박막 a-Si:H는 필요에 따라서 도핑되고 플라즈마 증착 또는 저압 화학기상증착(LPCVD)과 같은 표준 기술들을 사용하여 증착된다. 전자는 약 200℃ 또는 그 이하와 같은 낮은 온도가 개입될 것이다. 후자는 약 550℃ 이하의 온도가 개입된다. 도 6의 실시 예에 있어서, 컬렉터 구조물(110)은 금속이 되도록 선택되고, 상부 컨덕터 또는 전극(118)은 상부 전극(118) 아래에서 도핑된 a-Si:H 층(120) 및 도핑된 a-Si:H 층(120) 아래에서 도핑되지 않은 a-Si:H 층(122) 을 갖는 투명한 전도산화물이다. 다른 예에 있어서, 상부 전극(118) 아래의 층이 n-형 또는 p-형 재료이고 컬렉터 구조물(110)은 반도체 재료가 되도록 a-Si:H은 배열될 것이다. 만일 핀형 또는 벌집형 컬렉터들과 같은 컬렉터 요소들을 갖는 컬렉터 구조물들(110)이 사용되면, 컬렉터 구조물(110) 아래의 전극, 예를 들면 전극으로서 기능할 수 있고 전기적 리드들(105)에 연결되는 측방향 전기적 연속 경로를 제공하는 구조물들을 생략할 수 있다. 또한, 컬렉터 구조물들(110)은 표준 테더링(tethering) 및 부착 방법들을 사용하여 인터페이스 층들, 광자점들과 같은 입자들 또는 흡수된 광자당 다중 전자/정공 쌍 발생을 제공하는 입자들을 부착하도록 사용될 것이다. 컬렉터 구조물들(110)은 반사/광 트래핑 구조물들 또는 그것의 일부로서 그리고 흡수공정들에 충격을 가하는 플라스몬의 공급원으로서 기능한다. 모든 실시 예들에서와 같이, 컬렉터 구조물(110)(및 대응하는 컬렉터 요소들)의 재료 조성은 빌트-인 수집 전기장을 설정하는 것을 돕거나 또는 수집을 지원하도록 밴드 스텝스(오프-셋)를 갖거나 그 조합을 갖도록 컬렉터 저항, 필요한 일함수 차이(카운터 전극을 사용할때)를 다루도록 선택된다.
컬렉터 구조물(110)은 (1) 식각, (2) 증착, (3) 현장 성장, (4) 스탬핑 또는 (5) 실제 컬렉터 구조물(110)에서의 (인레잉; inlaying) 임프레싱(impressing)을 포함하는 다양한 기술들에 의해서 제조될 것이다. 증착 기술에 있어서, 제조에 바람직한 방법은 리쏘그래피 기술들을 사용하여 얻어진 패턴된 블록 공중합체 또는 패턴된 레지스트로 전달된 컬렉터 패턴을 갖도록 하는 것이다. 예를 들면, 컬렉터 재료는 결과로서 생긴 패턴된 블록 공중합체 또는 레지스트 내로 박막으로서 증착될 수 있고 다음에는 리프트-오프에 의해서 패턴되어 도 3 내지 도 5에 도시된 것들과 같은 구조물들을 제조하게 된다. 블록 공중합체 재료가 사용되면, 증착은 블록 공중합체를 현장에서 하나의 상은 제거되도록 사용하여 수행될 수 있다. 제거된 상이 잔류하는 지역들은 컬렉터 요소들의 위치들이 된다. 나머지 중합체는 표준 리프트-오프 기술들을 사용하여 제거될 수 있다.
제위치 성장의 경우에 있어서, 컬렉터 구조물(110)의 요소들은 도 3 내지 도 5의 것들과 같은 형상으로 성장한다. 컬렉터 구조물(110)의 요소들의 성장은 예를 들어 기상-액상-고상(vapor- liquid-solid; VLS) 기술을 사용하여 달성될 것이며, 여기에서 패턴 촉매제가 표면 상에 먼저 위치하거나(만일 컬렉터 구조물(110)이 전체 전극이 된다면) 또는 그 표면 상에 있는 바닥 컨덕터(112) 상에 위치한다(만일 컬렉터 구조물(110)이 패턴될 컨덕터 상에 잔류한다면). 촉매제는 그러한 자체-어셈블리와 같은 기술들에 의해서 패턴된 컨덕터 상에 증착되거나(촉매제 입자들이 싸이올 결합(thiol bonds)을 사용하여 패턴된 AU 위로 묶임) 또는 예를 들어 증착된 재료를 패터닝 하기 위한 잉크 젯 프린팅이나 딥 펜 방법과 같은 다른 기술들 뿐만아니라 위에서 언급된 식각 또는 증착 기술들의 하나를 사용하여 패터닝될 것이다. 컬렉터 요소들은 촉매제 위치들에서 필요온도 하에서 전구체로부터 성장한다. 예를 들면, 만일 컬렉터 구조물(110)이 실리콘이 되면, 전구체는 실란과 같은 실리콘 보유 화합물이고, 온도는 촉매제로서 금(Au)을 사용하고 550℃ 이하가 될 수 있다. 도판트를 함유하는 재료는 촉매제를 이용하거나 또는 만일 실리콘(Si)이 도핑되는 경우에 전구체를 이용하여 사용될 것이다. 성장후에 존재하는 잔여 촉매제는 촉매제에 대하여 특화된 에천트(etchant)(예를 들면, Si 성장을 위해서 Au 촉매제에 대하여 금 에천트)를 사용하여 컬렉터 요소들로부터 제거된다. 컬렉터 성장을 위한 나노입자 촉매제들은 도 3 내지 도 5에서 바람직한 면비들(AAV), 예를 들면 컬렉터 구조물들(110)에 대하여 1보다 큰(W는 컬렉터 요소 특정 폭의 측정치) 면비들을 자동적으로 달성하기 위해 채용될 수 있다. 예를 들면, 만일 탄소 나노튜브들 또는 와이어들에 대한 나노입자 촉매제가 컬렉터 패턴에 있는 표면 위로 스탬핑되면, 필수적으로 수직한 컬렉터 요소들에게 바람직한 면비를 부여하도록 나노튜브나 와이어 성장이 활용될 수 있다. 이러한 구조물들은 사용될 수 있고, 컬렉터 요소들로서 제조될 수 있고, 전자화학적 수단에 의해서 피복될 수 있다.
임프린팅 경우에 있어서, 유리, 금속박막 또는 플라스틱을 포함한 기판 상에 놓이게될 컬렉터 구조물(110)은 이미 존재하는 활성(흡수제) 재료 내로 가압됨으로써 위치하고, 이에 의해서 도 6의 구조물이 생성된다.
이러한 방법에서 컬렉터 구조물들(110)은 앞서 설명한 바와 같이 컬렉터 구조물(110)을 제조하는 것과 동일한 방식으로, 예를 들어 식각 또는 증착에 의해서 제조될 수 있고, 이때 사용된 기술들은 블록-공-중합체, 프린팅 또는 스탬핑 기술들, 광학 또는 증착/리프트 오프 또는 e-빔(e-beam) 리쏘그래피 및 전자화학증착과 같은 다른 해법들을 채용할 것이다. 이 실시 예에 있어서, 컬렉터 요소들은 전도성 표면이 되거나 또는 그 자체가 완전 전극이될 것이다.
분무화(nebulization)에 의한 증착 또는 기상-액상-고상(VLS) 증착과 같은 촉매제 포지셔닝 및 기술들이 내부-컬렉터-요소 지역의 활성 재료 또는 흡수제 또는 컬렉터 구조물(110)을 형성하는데 사용될 것이다. 수집 구조물(110)은 흡수제가 될 것이다. 모든 이러한 구조물들에 있어서, 컬렉터 구조물(110)이 위치하는 일측(상부나 바닥) 또는 타측으로부터 빛이 충돌할 것이다. 그러므로, 이러한 형식의 구조물들에 있어서, 반사체가 구조물에 사용되는 경우를 제외하고는 빛이 상측, 바닥쪽 또는 상부와 바닥쪽 모두에 충돌할 수 있다. 상부/바닥 전극 배열들(예를 들어 도 2 내지 도 6)에 있어서, 바람직한 경우에 컬렉터 구조물(110)이 상부와 바닥에 또는 상부와 바닥 모두에 위치할 것이다.
다른 실시 예에 있어서, 컬렉터 요소들 사이에 위치한 활성 재료는 다음 3가지 기술들, 즉 (1) a-Si의 결정화, (2) 다결정 Si의 증착, 또는 (3) 기상-액상-고상 (VLS) 증착과 같은 촉매 공정중에서 하나에 의해서 제조된 박막 결정 Si이다.
비정질 Si(a: Si)는 로 열처리 또는 급속 열처리(RTA)에 의해서 수행되는 고상 결정화(SPC)를 사용하여 다결정 실리콘(poly-Si)으로 변환될 수 있다. 컬렉터 요소들 사이에서 증착된 박막 비정질 실리콘은 전체 셀이 제조되거나 a-Si 재료들이 증착된 후에 SPC에 의해서 다결정 실리콘(poly-Si) 흡수제 재료로 변환될 수 있다. 만일 RTA가 사용되면, 750℃ RTA 노출이 1분이하의 시간동안에 필요한 결정화를 생성할 수 있다는 사실에 입각해서 예시적인 온도-시간 단계가 주어진다. 통상적인 SPC poly-Si은 ~10㎛의 수집 길이와 ~10㎛의 흡수 길이를 가질 수 있다. 수집 길이와 흡수 길이는 요소들이 나노크기 W 값들, 예를 들면 만일 비-흡수제의 경우에 컬럼 직경, 핀 두께 또는 벌집 두께를 가질 수 있는 컬렉터 구조물(110)의 치수들(C 및 A)을 결정한다. 만일 요소들이 흡수제 재료이면, 이러한 직경/두께 W 칫수들은 나노크기일 필요가 없으며, 칫수 C와 A를 유지하면서 효율면에서 최적화될 수 있다.
박막 다결정 실리콘 및/또는 게르마늄은 약 580℃ 이상의 온도에서 LPCVD에 의해서 컬렉터 요소들 사이에 위치된 흡수제와 같이 직접적으로 증착될 수 있다. 통상적인 증착된 SPC poly-Si은 약 5㎛의 수집 길이와 약 10㎛의 흡수 길이를 가질 수 있다. 수집 길이와 흡수 길이는 컬렉터 구조물(110)의 칫수들 C와 A를 결정한다.
박막 결정 실리콘 및/또는 게르마늄 및 다른 흡수제 재료들이 기상-액상-고상(VLS) 및 관련된 증착 기술들에 의해서 컬렉터 요소들 사이의 지역에 직접적으로 증착될 수 있다. 이러한 실시 예에 있어서, Si VLS 성장을 위한 Au와 같은 촉매제(128)가 도 7에 도시된 바와 같이 증착될 것이다. 도 7에 도시된 실시 예에 있어서, 컬렉터 요소들 사이의 지역은 도핑된 poly-Si층(124) 및 도핑되거나 도핑되지 않거나 또는 그 모든 VLS Si 층들(126)을 포함할 수 있다. 촉매제(128)의 증착은 물리기상증착 및 화학기상증착, 전자화학증착 또는 자체-조립체와 같은 표준 기술들중 어느것에 의해서 달성될 것이다. 만일 컬렉터 구조물(110)이 전극으로서 기능하는 경우에 촉매제(128)는 기판(114) 위로 직접적으로 위치하거나, 또는 촉매제(128)는 컨덕터(12) 위로 위치할 것이다.
컨덕터에 대한 싸이올 결합들에 의해서 촉매제 Au 입자들의 결합과 같은 묶음(tethering)에 의한 자체 조립체가 현존 컨덕터를 사용하여 채용될 것이다. 컬렉터 구조물(110) 및 그 위의 VSL 촉매제 층(128)을 갖는 기판(114)이 VLS 반응기 내에 위치한다. 실란과 같은 실리콘 전구체가 도입되고(촉매제로서 Au에 대하여 T~450-550℃의 온도하에서) Si 전구체가 파괴되어 Au 막에 있는 액상 Au/Si 합금에 Si가 축적된다. 그러면, Si 농도가 임계 수준을 초과함에 따라 Si는 방출되고, 그 결과 상호 연결 요소 지역들에서 결정 Si가 성장한다. 그러면 촉매제(즉, Au)(128)가 필요에 따라서 결정 Si 외면에서 식각될 것이다. 이 재료는 고 결정도를 가질 수 있으므로, 그것의 수집 길이와 흡수 길이는 적어도 폴리-Si의 것들이 될 수 있다. 이 길이들은 이용된 컬렉터 구조물(110)의 칫수들 C와 A를 결정한다.
이러한 VLS 흡수제 성장 방법에 있어서, 촉매제(128)가 현존 컬렉터 요소들과 함께 위치할 것이다. 만일 필요하다면, 촉매제(128)는 마스킹과 같은 수단에 의해서 컬렉터 요소들의 상부면들로부터 배제될 것이다. 이와는 달리, 촉매제(128)는 현존 컬렉터 요소들과 함께 위치할 것이다. 이러한 실시 예에 있어서, 촉매제(128)는 사용될 컬렉터 구조물(110)을 수용하는데 필요한 필요 패턴으로 표준 방법을 사용하여 증착된다. 이 패턴은 블록 공중합체, 스탬핑, 임프린팅, 또는 빔 또는 광학적 리쏘그래피 방법들 및 리프트-오프 및/또는 식각을 포함하는 방법을 사용하여 발생될 것이다. VLS 성장후에, 컬렉터는 예를 들어 증착을 사용하는 것에 의해서 컬렉터 패턴에 영향을 주는 흡수제 지역들과 함께 위치할 것이다. 리프트-오프 및/또는 식각이 또한 사용될 것이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같은 컬렉터 구조물(110)(및 상응하는 컬렉터 요소들)을 사용하는 태양전지의 제조는 컬렉터 요소들 사이에 위치한 활성 재료와 같은 복합 반도체를 사용하게될 것이다. 이러한 실시 예에 있어서, 복합 반도체는 흡수제 단독으로서 또는 흡수제/컬렉터로서 사용될 수 있고 유기 또는 무기 입자들 또는 분자들의 추가를 포함할 것이다. 박막들을 증착하기 위한 기술들이 널리 알려져 있으며, 콜로이드의 화학 기술들을 포함하여 위에서 언급한 것과 유사한 VLS-타입 방법들을 포함한다.
유기 재료 또는 재료들이 컬렉터 요소들 사이에 위치한 활성 재료로서 다양한 물리적 화학적 방법들에 의해서 직접적으로 증착될 수 있다. 물리적 방법들 가운데 포함된 것으로는 서브리미에이션(sublimiation), 분무화(nebulization) 및 주조이다. 화학적 방법들 가운데 포함된 것은 전기화학적 중합, 증기상 반응, 증기상 중합, 표면-개시된 중합 및 표면-종결 중합이다. 후자 방법에 있어서, 요소나 화합물이 표면 위에 증착되어 반응 개시제로서 이용될 것이다. 반응 개시제와 기판 사이의 연관의 특성은 화학적 결합(이온성 또는 공유), 수소 결합이나 쌍극자-쌍극자 상호작용과 같은 취약 연관이다. 여기에서 설명한 공정들은 컬렉터 요소들 사이에서 활성층(흡수제)을 만들기 위해서 사용될 수 있는 반면에, 그 공정들은 활성 지역에 컬렉터 요소들을 형성하고 컬렉터 요소들에 대한 표면층을 형성하는데 사용될 수 있다. 그 공정들은 컬렉터 요소들 자체를 만들기 위한 목적을 표현하기 위해서 평평한 기판 상에서 수행되도록 유도될 수 있다.
활성층 형성에 대한 표면 개시된 방법들에 있어서, 유기 분자들은 한가지 방법에 있어서 원하는 화학반응을 개시하는 기판 결합 또는 컬렉터 요소 결합 개시제에 노출된다. 분자들은 필수적으로 거대분자들의 크기에 대한 몇몇 원자들에서의 크기에서의 반응 변화에 대하여 유용하다. 분자들이 전파되도록 존재하거나 종결 분자가 도입되는한 반응이 진행된다. 생성된 최종 분자들은 조절가능한 두께에 따라서 고도로 정돈된다. 기상 중합 또는 표면-개시된 중합이 사용될 것이다.
표면 종결된 방법에 있어서, 원하는 물리적 화학적 특성들을 부여하는 조건하에서 거대분자가 용액 내에 형성된다. 거대분자는 종결 그룹을 포함하는 표면에 노출된다. 표면에 위치된 종결 그룹은 거대분자들의 전파를 종결하는 반면에 이와 동시에 표면에 거대분자들을 동시에 고정시킨다. 이러한 방법은 통상적인 용액 중합 기술들의 사용을 가능하게 하는 반면에, 표면 커버리지와 밀도의 조절을 유지한다.
결정 또는 비정질 실리콘 또는 다른 무기 반도체들은 컬렉터 구조물(110)을 형성하는 재료로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 박막 결정 실리콘이 사용되고 원하는 바에 따라서 n 또는 p 타입으로 도핑될 것이다. 컬렉터 구조물(110)(예를 들면, 컬럼, 핀, 벌집)을 형성하기 위해서, VLS 방법이 필수적으로 패턴된 촉매제(128)를 통해서 사용될 것이다. 컬럼 성장에 적당한 패턴된 촉매제(128)가 도 8에 도시되어 있다. 그러한 패턴된 촉매제는 공지된 프린팅 기술들을 사용하여 금 보유 층들을 프린팅함으로써 달성될 것이다. 그러한 금 보유 층들은 예를 들어 Au 보유 잉크 또는 접점에 기판을 고정시키도록 설계된 기능화된 Au 나노입자들와 같은 재료들로 구성될 것이다.
도 8에 도시된 이러한 패턴된 촉매제와 VLS 방법을 사용하여 이 예에서는 컬럼들이 도 8에 도시된 바와 같이 성장할 것이다. 요소들(및 벽들중 어느 것)의 상부에 위치된 촉매제가 쉬운 식각에 의해서 제거될 것이다. 그러면 활성 재료가 컬렉터 요소들 사이에 위치한다. 다양한 촉매제들이 사용될 것이고 금속들 뿐만아니라 다른 반도체들이 컬렉터 요소 기능을 위해서 성장할 것이다. 일반적으로, 촉매제 증착 및 패터닝은 스탬핑, 전자-정적 프린팅, 프린팅 및 딥 펜을 포함하는 포지셔닝 기술들을 사용하거나 또는 다른 표준 물리적 기상 증착 기술들 또는 블록 공중합체 사용, 임프린팅 또는 빔 또는 광학 리쏘그래피를 채용하는 리프트 오프 패터닝이나 식각을 통한 전자-화학 증착을 사용하여 달성될 것이다.
촉매제 형식과 형상의 상세한 사항에 의존하고 그것이 입자들(도 10 참조)로 구성되거나 불연속 막(도 11 참조)이든지간에 기판에 대하여 수직한 컬렉터 요소들에 대한 각도는 변할 것이다. 나노 요소들(132)의 경우에 대한 이러한 상황을 특별히 나타내는 도 10 및 도 11의 구조물에 있어서, 빛이 상부 컨덕터(118)나 하부 컨덕터(112)를 통해서 장치내로 들어갈 것이다. 도 10에서 하나의 컨덕터, 예를 들어 바닥 컨덕터(112)는 특히 표면 커버링 컨덕터에 연결되어 활성층(116) 내로 침투하도록 컨덕터로부터 연장되는 나노-요소들(132), 예를 들면 나노와이어들 또는 나노튜브들을 구비한다.. 도 10에 도시된 다른 컨덕터, 예를 들면 상부 컨덕터(118)는 도 10에 도시된 경우의 나노-요소들을 필수적으로 구비하지는 않는다.. 나노-요소들(132)은 광생성 캐리어 수집에서 도움을 주도록 의도된 것이다. 만일 도 10에 도시된 바닥 컨덕터가 양극이면, 나노 요소들(132)은 (자유 정공들이 활성층으로부터 수집되거나 정공들이 요소들의 표면에서 엑시톤들을 파괴하여 생성되거나 또는 이들의 몇몇 조합에 의해서 생성되든지간에) 정공들을 수집하도록 설계된다. 만일 도 10에 도시된 바닥 컨덕터(112)가 음극이면, 나노 요소들(132)은 (자유 정공들이 활성층으로부터 수집되거나 정공들이 요소들의 표면에서 엑시톤들을 파괴하여 생성되거나 또는 이들의 몇몇 조합에 의해서 생성되든지간에) 정공들을 수집하도록 설계된다. 수집된 캐리어의 운동성을 향상시키도록 빌트-인 수집 전기장을 조성하는 것을 지원하거나 또는 수집에서 지원하도록 밴드 스텝들(오프-셋들)을 갖도록 또는 이들의 몇몇 조합으로 필요 일함수 차이(상부 컨덕터(118)을 통해서)를 제공하기 위해서 나노 요소들(132)의 재료 조성이 선택된다. 수집될 광생성 독립체들이 활성 재료에 생성되는데, 이는 컨덕터들(112,118) 사이 그리고 침투하는 나노 요소들(132) 중에 위치되는 유기, 무기 또는 그 조합 재료 장치가 될 것이다. 활성층(116)은 반도체들, 염색제들, 양자점들, 금속 나노입자들 또는 이들의 조합을 포함할 것이다. 활성층 재료는 광 흡수제 또는 흡수제와 발생된 전하 컬렉터 또는 컬렉터들의 혼합물이될 수 있다. 활성층 재료 장치들은 화학 및 전자화학 수단, 화학기상증착 또는 물리기상증착을 포함한 다양한 성장 및 증착 방법들에 의해서 생산될 것이다. 활성층 재료장치들은 또한 전해액을 함유할 것이다.
도 10 및 도 11의 구조물들이 위치되고 촉매제 방법을 사용하여 생산될 수 있다. 도 10에 도시된 나노 입자들(130)은 활성층(116)을 침투하는 나노 입자들(132)의 성장을 위한 촉매제로서 작용한다. 나노 입자들(130)은 나노 입자(132)가 성장한 후에 유지되거나 유지되지 않을 것이다. 금속 나노 입자들(130)은 활성층(116) 상에서 광흡수를 향상시키기 위해 플라스몬을 발생시키도록 사용도록 성장후에 잔류하도록 설계될 수 있다.
나노 요소들(132)이 먼저 성장하고 다음에는 나노 요소(132) 주위로 활성층(116)이 성장하거나 증착된다. 예를 들면, 나노입자/요소(나노-와이어 또는 나노-튜브) 장치들은 실리콘 나노-와이어들의 성장을 위한 금 나노 입자들이 되거나 또는 탄소 나노 튜브들 및 나노 필라멘트들의 성장을 위한 철이나 철 기지 나노 입자들이 될 수 있다. 특정한 예로서, Si의 경우에 있어서, 스피닝(spinning), 분무, 스탬핑, 프린팅 또는 박테리아의 사용을 포함한 다른 분산 기술들에 의해서 먼저 촉매제 나노 입자들을 증착함에 의해서 실리콘 나노 와이어들이 바닥 전극 상에서 성장할 것이다. 부수적으로, 피복된 바닥 컨덕터가 Si 나노 와이어 성장을 위한 성장 챔버에 위치하는데, 이는 예를 들어 실란, 디클로로실란 등과 같은 Si 전구체 가스, 아마도 성장도중에 나노 와이어 도핑을 위한 도판트 가스하에서 저압 화학 증기증착(LPCVD)을 사용하는 기상-액상-고상(VLS)기술에 의해서 달성될 것이다.
결과로서 생긴 나노 와이어들의 밀도와 방향들은 촉매제 크기, 형식 및 배열과 증착 매개변수들을 사용하여 조정될 수 있다. 동일한 촉매제 방법들이 C, ZnO, GaN, 및 CdTe 나노튜브들 및 나노와이어들과 같은 다른 반도체 나노 구조물들의 성장을 위해서 사용될 것이다.
탄소의 경우에 있어서, 스피닝, 분무, 또는 다른 분산 기술들에 의해서 먼저 촉매제 나노 입자들을 증착함에 의해서 탄소 나노 채널들 또는 나노 필라멘트들이 바닥 컨덕터 상에서 성장할 것이다. 부수적으로 피복된 바닥 컨덕터는 탄소 나노튜브 또는 나노 필라멘트(나노와이어) 성장(탄소 전구체가스 및 저압화학기상증착(LPCVD))을 위해서 성장챔버 내에 위치한다.
촉매제 나노입자 크기 및 요소 성장조건에 따라서, 도 10에 도시된 촉매제 나노입자들(130)은 성장하는 나노 요소(132)의 상부에 그들이 놓이는 것 또는 성장하는 나노 요소(132) 내로 통합되는것에 의해서 성장동안에 바닥 컨덕터(112)로부터 실제로 없어지게 된다. 이러한 촉매제 구동 증착으로부터 생성된 결과적인 나노와이어들이나 나노 채널들은 도 10에 도시된 바와 같은 무작위 배향을 가지거나 또는 촉매제 나노입자 크기 및 성장조건들에 따라서 바닥 컨덕터(112)에 대하여 수직하게 정렬될 것이다. 두 경우에 있어서, 결과적인 나노 요소들(132)은 활성층(116) 내로의 그들의 침투의 적어도 몇몇 이상을 측방향으로 수집한다.
바닥 컨덕터(112)나 상부 컨덕터(118) 위로 촉매제 나노입자들(130)을 위치시키는것에 대한 대안으로서, 촉매재 재료의 불연속적인 막이 화학증기 또는 물리증기증착에 의해서 증착될 수 있거나 또는 다이 펜과 스탬핑같은 위치선정 기술들에 의해서 생성될 수 있다. 예를 들면, 약 10nm이하의 두께를 갖는 물리적으로 증착된 금속막들이 일반적으로 불연속이고, 이에 의해서 필요한 나노 와이어나 나노 튜브 성장을 위한 촉매제들로서 기능할 수 있는 나노-섬들에 의해서 덮힌 표면을 효과적으로 부여한다.
측방향 수집 방법들은 도 12에 도시된 바와 같은 반대 전극들을 구성하는 요소들을 사용할 수 있다. 측방향 수집 개념은 음극과 양극이 도 1~7, 10 및 11에 도시된 바와 같이 배열되어야할 필요가 없고, 즉 하나의 전극이 다른 전극의 상부에 놓일 필요가 없고 대신에 2개의 전극들은 서로 측방향을 향할 수 있다. 측방향 전극 배열에 있어서, 광생성 독립체(엑시톤들 및/또는 자유 정공들 및 전자들)의 수집은 필수적으로 측방향 패션으로 즉, 흡수 길이방향에 대하여 필수적으로 90도로 행해진다. 앞서 논의한 용어 "수직한 수집 길이"는 이제 측방향 길이로 언급된다. 또한, 흡수 길이와 수직 수집 길이는 더이상 서로를 보유하지 않는다. 예를 들면, 도 10의 실시 예에 있어서, 단지 하나의 캐리어의 수집은 빈약한 운동성으로 흡수 길이방향에 대하여 소정 각도로 수행된다. 전극들 접근의 측방향 배열에 의한 측방향 수집에 있어서, 2개의 전극들(양극과 음극)이 일반적으로 나노- 및/또는 마이크로-크기 요소들의 독립적인 배열로 각각 형성된다.
전극들 접근의 측방향 배열에 의한 측방향 수집에 있어서, 도 12 및 13의 핀 구조물 또는 다른 유사한 전극 구조물들이 사용될 수 있다. 나노크기 또는 마이크로 크기 배열 간격을 갖는 도 12 및 13의 실시 예에 있어서, 그 배열은 제 1 전극(134)의 모든 성분들과 제 2 전극(136)의 모든 성분들이 절연체(도시되지 않음) 상에 위치하고 서로 전기적으로 절연되며, 이때 한 전극은 양극 수집 광생성 정공들(직접적으로 생성되거나 엑시톤 분해에 의해서 생성되거나 또는 두 경우 모두)로서 기능하고 다른 전극은 음극 수집 광생성 전자들(직접적으로 생성되거나 엑시톤 분해에 의해서 생성되거나 또는 두 경우 모두)로서 기능한다. 광생성 실체들은 활성재료내에 생성되는데, 이는 유기, 무기 또는 전극들(134,136) 사이에 위치한 조합 재료장치가 될 것이다. 활성층은 반도체들, 염색제들, 양자점들, 금속 나노입자들 또는 그 조합들을 포함할 것이다. 활성층 재료는 광흡수제 또는 광흡수제와 발생전하 컬렉터(분리기) 재료의 혼합물이 될 수 있다. 활성층 재료 장치들은 다양한 성장 및 증착 방법들에 의해서 생성될 것이며, 앞서 설명한 바와 같이, 화학적 및 전자화학적 수단들, 화학기상증착 또는 분무화를 포함한 물리기상증착을 포함한다. 활성층 재료 장치들은 또는 전해질을 포함할 것이다. 제 1 전극(134)의 요소들은 도 12에 도시된 바와 같이 계층으로 배열될 것이며, 이때 직렬 저항들을 줄이기 위해서 작은 크기의 요소들이 큰 크기의 요소들에 연결된다. 같은 방식이 제 2 전극(136)의 경우에도 적용된다. 단면에 있어서, 도 12의 샘플 구조가 도 13에 도시된 바와 같이 나타날 것이다.. 활성층(116)은 제 1 전극(134)와 제 2 전극(136) 구조물들의 높이 A보다 두껍거나 두껍지 않을 것이다. 칫수 A는 활성 재료 흡수길이와 같다. 또한, 제 1 전극(134)과 제 2 전극(136) 구조물들의 폭(W)은 가능한한 작아야 하며, 직렬저항 손실 및 제조 고려사항들에 따라서 바람직하게는 나노크기 범위로 설정되어야 한다. 도 12 및 13에 도시된 바와 같은 전극들(134,136)의 배열은 활성층(116) 상에 바닥이나 상부 전극을 필요로 하지 않는다. 또한, 빛(101)이 상부나 바닥측을 통해서 들어갈 것이다. 반사체가 일측에 위치할 것이다. 이웃하는 요소들 사이의 배열 분리(C)는 한 활성 재료 수집 길이 또는 그 이하의 순서이다. 광생성 독립체들을 수집하는 것에 추가하여, 전극 요소들은 (1) 흡수제가 되거나, (2) 향상된 광반사 및 트래핑에 사용되거나, (3) 성능을 향상시키기 위해서 양자점/나노 입자들, 단층 또는 다른 재료들을 부착시키는데 사용되거나, (4) 흡수공정과의 상호작용을 위한 프라스몬에 대한 공급원으로서 사용될 것이다. 이 실시 예는 광 발생 응용에서 사용될 것이다. 광발생 응용에 있어서, 활성층(116)은 빛을 흡수하지 않고 그것을 방출한다. 그러한 상황에서 전극들(134,136)은 캐리어들을 수집하지 않고 그들을 주입한다. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 광 방출 구조물들은 광기전력 변환소자 장치로서 반대 센스로서 필수적으로 작동하며, 재료 선택은 필요에 따라서 이루어진다.
도 12 및 도 13에 도시된 바와 같은 측방향 광기전력 변환소자 구조물들의 양극과 음극은 그들 사이을 향하고 활성재료를 가로지르는 빌트인 전기장(또는 동등하게는 빌트인 전위)을 만드는 재료들로 구성될 수 있다. 필드 배향은 흡수 길이 방향에 대하여 대체적으로 수직하다. 전기장을 형성하는 것은 양극와 음극이 고 일함수와 저 일함수 금속, p-타입 반도체와 n-타입 반도체, 고 일함수 금속 및 n-타입 반도체 또는 저 일함수 금속 및 p-타입 반도체와 같은 쌍들로 이루어지는 것을 필요로 한다. 전극들(134,136)은 일함수들을 조정하기 위해서 처리되거나(예를 들면 플라즈마 처리) 자체 조립체를 사용하여 막들이나 단층으로 피복될 것이다. 추가적으로, 전극 재료들은 캐리어 수집을 지원하기 위해서 정공들을 차단하거나(음극에서) 전자들을 차단하는(양극에서) 작용을 수행하는 에너지 대역 단계들을 가질 것이다.
도 12 및 13에 도시된 바와 같은 측방향 양극과 음극 배열들은 잘 조성된 식각 및/또는 리프트-오프 기술들과 결합된 광 및 e- 및 이온빔 리쏘그래피와 같은 공지된 리쏘그래피 기술들을 사용하여 제작될 것이다. 이들은 블록 공중합체 패터닝, 임프린트 및 단계 및 잘 조성된 식각 및/또는 리프트-오프 기술들과 결합된 플래시 리쏘그래피와 같은 기술들을 사용하여 제작될 수도 있다. 또한, 이들은 딥-펜 처리, 잉크 젯 프린팅, 정전 프린팅 및 식각이나 리프트 오프를 필요로 하지 않는 스탬핑과 같은 다른 기술들에 의해서 제작될 수도 있다. 도 12 및 13에 도시된 바와 같은 측방향 양극과 음극 배열들은 패턴된 전극 레이아웃을 형성하기 위해 광자 영향에 반응하는 재료에서 패턴의 레이저 기록에 의해서 제작될 수 있을 것이다. 이것은 제 1 전극(134)과 제 2 전극(136)에 대해서 순차적으로 수행될 것이다. 원하는 빌트인 전기장 및 대역 단계들을 생성하는데 필요한 다른 재료 장치들을 얻기 위해서, 상기한 방법들을 사용하여 제 1 전극(134)이 먼저 위치하고 다음에는 제 2 전극(136)이 위치할 것이다. 이와는 달리, 전극 요소들의 두 세트들은 동일한 재료로 제조될 수 있고, 그러면 한 전극은 필드 및 대역 단계 생성을 위해서 다른 재료로 전자 도금된다. 이것은 각각의 세트가 외부 세계에 대한 독립적인 연결을 가지므로 쉽게 수행된다. 일반적으로, 제 1 전극(134)과 제 2 전극(136)을 만들기 위해 패터닝되고 사용되는 재료들이 성장되거나 증착될 수 있다.
도 12 및 13에 도시된 바와 같은 측방향 양극과 음극 전극 배열들은 전자-부재 및/또는 전자화학증착과 같은 전극 구동 도금을 사용하여 제작될 수 있을 것이다. 도금은 예를 들어 제 1 용액을 사용하는 제 1 전극(134)의 전자 화학적 성장을 위한 제 1 전도성 패턴의 위치선정과 제 2 용액을 사용하는 제 2 전극(136)의 전자 화학적 성장을 위한 제 2 전도성 패턴의 위치선정에 의해서 실행될 수 있다. 2개의 전자-화학 증착 용액들이 앞서 설명한 바와같이 양극 및 음극에 대한 2개의 다른 재료들을 달성하기 위해서 사용된다. 패턴들은 필수적으로 측방향으로 배치된 양극 및 음극의 전자 화학적 증착을 얻기위해서 필요한 설계에서 절연 기판 상에 위치된다. 예를 들면, 도 12 및 13의 구조물의 경우에 있어서, 한 패턴은 제 1 전극(134)을 형성하도록 기판 상에 존재하고 다른 전기적 절연된 패드는 제 2 전극(136)의 형성을 위해서 기판 상에 존재한다. 그러한 전극 전구체 패터닝이 광학적 빔 그리고 식각 및/또는 리프트-오프와 결합된 임프린팅 리쏘그래피를 사용하여 실행될 수 있다. 전극 전구체 패터닝은 직접 패터닝과 같은 기술들에 의해서 달성될 것이며, 여기에서 패턴 재료는 스탬핑, 딥 펜, 프린팅, 정전 프린팅 또는 잉크젯 프린팅을 포함한 다양한 기술들에 의해서 소정의 패턴으로 적용된다. 이 패턴들은(예를 들면, 도 12 및 13의 예의 패턴으로) 한 재료의 전극과 다른 재료의 전극을 전자화학적으로 증착하는 것에 대하여 순서대로 전기적으로 편향될 것이다. 즉, 기판에 적용된 제 1 용액을 사용하는 제 1 패턴의 순차적인 편향은 제 1 전극(134)의 전기화학적 증착을 얻기 위해서 사용될 것이며, 기판에 적용된 제 2 용액을 사용하는 제 2 패턴의 순차적인 편향은 제 2 전극(136)의 전기화학적 증착을 얻기 위해서 사용될 것이다.
전기-화학적 증착은 도 12 및 13에 도시된 바와 같은 측방향 양극과 음극 전극 배열들을 얻기 위해서 대안적인 방식으로 사용될 것이다. 광기전력 변환소자 장치의 음극와 양극에 대하여 필요한 배열에서 앞서 설명한 기술들을 사용하여 패턴된 움푹들어간 제 1 재료 전극 및 제 2 재료 전극을 포함하는 견본은 전자화학 증착 용액을 사용하여 기판에 적용된다.
기판은 전도성을 갖는다. 견본에서의 제 1 재료 전극 패턴과 기판 사이에 전기적인 바이어스를 인가함으로써, 제 1 전극(134)으로 형성되는 재료가 견본에 의해서 안내된 기판 위로 증착된다. 견본에서의 제 2 재료 전극 패턴과 기판 사이에 전기적인 바이어스를 순차적으로 인가함으로써, 제 2 전극(136)으로 형성되는 재료가 견본에 의해서 안내된 기판 위로 증착된다. 이 견본은 강화되고 재활용될 수 있다. 단락을 방지하기 위해 필요에 따라서 기판 상의 초기 전도성막이 식각되거나 절연체로 변환된다. 본 개념은, 견본에서 두 전극들의 측방향 배열에 의해서 측방향 수집 레이아웃의 양극과 음극에 대해 필요한 2가지 다른 재료들을 증착시킬 수 있도록 견본(각각 제 1 재료와 제 2 재료)에서의 2가지 다른 전극들과 순차적인 편향을 사용한다. 이 기술은 또한 표면을 덮는 초기 박막을 제거하거나 변환시킨다.
도 12 및 13에 도시된 바와 같은 측방향 양극과 음극 전극 배열들은 촉매 제어 성장을 사용하여 제작될 수 있을 것이다. 촉매 제어 성장은 예를 들어 제 1 전극(134)의 성장을 위한 촉매제 A의 위치선정과 제 2 전극(136)의 성장을 위한 촉매제 B의 위치선정에 의해서 실행될 수 있다. 이 촉매들은 필수적으로 측방향으로 배치된 양극 및 음극을 얻는데 필요한 패턴에 존재할 수 있다. 예를 들면, 도 12 및 13의 구조물의 경우에 있어서, 촉매제 A는 제 1 전극(134)의 형태로 기판 상에서 패터닝되고 촉매제 B는 제 2 전극(136)의 형태로 기판상에 패터닝될 것이다. 그러한 촉매제 패터닝은 상기한 바와 같이 수행될 수 있다. 포함된 기술들은 광학적 빔, 그리고 식각 및/또는 리프트-오프와 결합되고 촉매재료의 성장이나 증착에 적용된 임프린팅 리쏘그래피를 사용하여 실행될 수 있다. 촉매제를 형성하기 위해서(또는 패턴된 전극 레이아웃을 직접적으로 형성하기 위해서) 광자 영향에 반응하는 재료에서 패턴의 레이저 기록에 의해서 제작될 수 있을 것이다. 패턴된 촉매제 A와 촉매제 B를 얻는 것이 순차적으로 수행될 것이다. 기판에 대한 촉매제 적용 후에, 제 1 및 제 2 전극들(134,136)이 각각의 촉매제들을 사용하여 성장한다. 전자화학적 및 화학 공정들이(예를 들면 VLS) 또한 사용될 수 있을 것이다.
촉매제 A와 촉매제 B의 응용과 패터닝이 스탬핑, 딥 펜, 전자-정적 프린팅 또는 촉매제 "잉크"의 잉크젯 프린팅과 같은 위치선정 기술들을 사용하여 또한 수행될 수 있을 것이다. 그러한 잉크들은 입자들, 자체 결합 분자들, 층들 또는 재료들, 또는 촉매제를 포함하는 두가지 모두를 포함할 것이다. 스태핑, 딥 펜 또는 잉크젯 프린팅에 의해서 패턴된 촉매제 A와 촉매제 B를 얻는 것은 정렬을 위한 적절한 고려를 통해서 순차적인 단계에 의해 실행될 수 있다. 스탬핑의 경우에 있어서, 대안은 기판 위로 촉매제 A와 촉매제 B를 동시에 스탬프하는 것이다. 후자 스탬핑 방법은 (1) 도 12 및 13의 패턴으로 잉크 함유 러프(roughs)에 스탬프를 적용시킴으로써 잉크들을 동시에 피킹업(picking up)하는 것과, (2) 딥펜, 잉크젯 또는 유사한 기술들을 사용하여 잉크를 스탬프에 순차적으로 적용하는 것에 의해서 도 12 및 13의 구조물에 대하여 달성될 것이다. 기판에 대한 촉매제 적용 후에, 제 1 및 제 2 전극들(134,136)이 각각의 촉매제들을 사용하여 성장한다. 화학 공정들이(예를 들면 VLS) 사용된다. 그 결과의 제 1 전극과 제 2 전극 단면들이 도 13의 직사각형으로 근접할 수 있다. 만일 성장한 제 1 및 제 2 전극들(134,136)이 예를 들어 Si 나노와이어 요소들(성장도중에 도핑될)가 같은 고 면비 나노입자들의 패키지된 어레이들 및 패턴된 촉매제들 A와 B로부터 촉매의 도움으로 성장한 탄소 나노튜브 요소들이라면, 제 1 전극 및 제 2 전극 요소들의 단면들은 전체 직사각형 형상에 접근할 것이다.
측방향 수집 전극구조물들을 생성하기 위한 모든 다양한 방법들에 있어서, 활성 재료 배치를 포함한 유기 또는 무기 흡수제가 앞서 설명한 바와 같이 다수의 방식으로 달성될 수 있을 것이다. 다양한 물리적 화학적 증기증착 기술들이 포함된다. 분무화, 분사 및 스핀-온 기술들이 특별히 포함된다. ZnO, GaN, CdSe, PbS와 같은 재료들 및 관련된 반도체들이 콜로이드 화학으로부터 공지된 기술들을 사용하여 제조될 수 있고, 이에 의해서 현장에서 제 1 전극(134,136)과 제 2 전극(136) 사이에서 재료가 성장하게 된다. a-Si:H 또는 다결정 Si와 같은 무기 반도체 재료들이 진공 증착되어 사용될 수 있다. 고상 결정화(MISPC)를 유도하는 그것의 이형 금속을 포함하여 a-Si, a-Ge 등, SPC와 같은 비정질 재료의 경우에 있어서, 제위치에서 그러한 증착된 비정질 반도체들을 결정 재료로 변형시키는 것이 사용될 수 있다. 그러한 정공 전도성 층들, 전자 전도성 층들과 같은 지지 재료들, 전극표면 변형 또는 표면 변형을 위해서 부착점들을 개시하거나 제공하기 위한 층들이 소정 층이나 전극 요소들 사이에 배치될 수 있다.
도 12 및 도 13에 도시된 측방향 수집 구조물들의 양극과 음극은 화학적 성장 또는 금속 유도 고상 결정화와 같은 기술들에 있어서 활성층 형성 공정들에 대한 촉매제로서 기능할 것이다. 양극, 음극 또는 모두는 촉매제 역할을 수행할 것이다. 예를 들면, 만일 실리콘이 활성층(116)이면, 전극들중 하나가 VLS 촉매제가 되는 VLS 화학적 성장을 사용하여 양극과 음극 사이의 지역에서 성장할 것이다. 전극 재료에 의존하여, 그러므로 사용된 촉매제에 의존하여, 결정 Si는 300 내지 600℃의 온도하에서 이러한 방식으로 성장할 수 있다. 실리콘의 SPC의 경우에 있어서, 예를 들어 증착된 a-Si는 예를 들어 Ni 전극들중 하나로서 그리고 SPC 공정을 향상시키는 금속으로서 사용하여 다양한 온도 어닐링 절차들을 사용하여 MISPC 실행을 통해 활성층으로 결정화될 수 있다.
복합 전극 캐리어 수집 절차에 의한 측방향 수집에 있어서, 적어도 하나의 전극(양극이나 음극)은 복합 구조물이고 제 1 전극(140)(양극이나 음극)과 제 2 전극(142)(음극이나 양극)은 도시된 바와 같이 증착된 활성층 재료를 사용하여 도 14 내지 도 17에 나타낸 바와 같이 배열된다. 도 14 내지 도 17의 구조물들은 도 12와 13의 예에서 주어진 측방향 전극 구성들에 반대로 바닥 전극 구성 위로 제공된 상부 전극이다. 도 14 및 15에 도시된 버전에 있어서, 제 1 전극(140)은 복합 구조물이고, 제 1 전극(140)의 요소의 각각의 상부는 전도성 제 1 전극 재료이다. 전도서 제 1 전극 재료는 기판상에 존재하는 제 2 전극(142)으로부터 각각의 성분에서 절연체(138)에 의해서 전기적으로 절연되는 것으로 나타난다. 제 1 전극과 제 2 전극 재료들은 광생성 전하 캐리어 수집을 위한 빌트인 전기장을 조성하기 위해서 재료들의 선택과 관련하여 선택된다. 이러한 전기장을 형성하는 것은 양극와 음극이 고 일함수와 저 일함수 금속, p-타입 반도체와 n-타입 반도체, 고 일함수 금속 및 n-타입 반도체 또는 저 일함수 금속 및 p-타입 반도체와 같은 쌍들로 이루어지는 것을 필요로 한다. 제 1 및 제 2 전극들(140,142)은 일함수들을 조정하기 위해서 처리되거나(예를 들면 플라즈마 처리) 자체 조립체를 사용하여 막들이나 단층으로 피복될 것이다. 제 1 및 제 2 전극 재료들은 엑시톤 분해에 있어서 특히 유용한 밴드 에지 오프-세트들(스텝들)의 사용에 의해서 필드 수집을 늘리기 위해서 또한 선택될 것이다. 이 구조물에 있어서의 수집은 측방향 및 수직한(예를 들어, 흡수 길이에 대하여 평행) 양상들을 갖게될 것이다. 도 14 및 15의 방법에서 요구되는 절연체(138)는 증착, 전자화학 반응들 및 산화나 질화를 포함하는 성장을 포함한 기술들에 의해서 생성될 것이다.
도 16 및 17에 도시된 실시 예에 있어서, 각각의 요소는 절연체(138)에 의해서 분리된 제 1 전극과 제 2 전극 성분들을 포함하는 복합 구조물이다. 2개의 전극들(140,142)은 외부 회로에 대한 연결을 위해서 독립적으로 접촉된다(도시되지 않음). 제 1 전극과 제 2 전극 재료들은 광생성 독립체 수집을 위한 빌트인 전기장을 조성하기 위해서 재료들의 선택과 관련하여 선택된다. 제 1 및 제 2 전극 재료들은 밴드 에지 오프-세트들(스텝들)의 사용에 의해서 필드 수집을 늘리기 위해서 또한 선택될 것이다. 이 구조물의 순수한 결과는 광생성 캐리어들이 측방향으로 그리고 수직방향으로 수집될 수 있다는 것이다. 도 16 및 도 17의 방법에서 요구되는 절연체(138)는 증착, 전자화학 반응들 및 산화나 질화를 포함하는 성장을 포함한 기술들에 의해서 생성될 것이다.
도 14 내지 도 17에 도시된 방법들은 도 12와 13에서는 필요했던 측방향 제 1 전극(134)와 제 2 전극(136) 구조물들을 순차적으로 생성하도록하지 않는 대안을 제공한다. 도 14 내지 도 17의 성분들은 도 12와 13의 실시 예에 대한 것들을 포함하는 초기에 언급한 모든 다양한 가능성들을 사용하여 패터닝되고 제조된다. 도 14 내지 도 17의 복합 전극들에서의 칫수 A는 활성 재료 흡수길이와 같다. 또한, 도 14 내지 도 17에서 요소 폭(W)은 가능한한 작아야 하며, 만일 요소 재료가 흡수제로서 사용되지 않는다면, 직렬저항 손실 및 제조 고려사항들에 따라서 바람직하게는 나노크기 범위로 설정되어야 한다.
도 18은 전극들이 활성재료에 위치된 광기전력 변환소자 장치의 단면도이다. 광기전력 변환소자(160)는 컬렉터 요소들의 어레이를 포함하는 제 2 전극(152)에 반대의 비-패턴(비-구조화된) 전극이될 수 있는 제 1 컨덕터나 전극(150)을 포함한다. 제 2 전극(152)은 구조화된 컬렉터 요소들(예를 들면, 컬럼들, 나노튜브들, 나노와이어들, 핀들, 벌집형 또는 짝수 분자 와이어들) 수집을 포함할 수 있다. 제 2 전극(152)에 인접하여 활성층(154)이 위치하고 제 1 전극(150)에 인접하여 수집 재료나 이 실시 예에서 정공 수집 확대를 위한 정공 전달층(HTL)(156)이 위치한다. 제 1 및 제 2 전극들(150,152) 사이에는 절연체나 분리기 재료(158)가 위치할 수 있다. 이 구조는 식각, 성장 증착, 리프트 오프 또는 임프레싱(인 레잉; in laying)을 포함하는 몇몇 처리 조합에 의해서 형성될 수 있다.
이 실시 예에 있어서, 절연체나 분리기 재료(158)는 제 2 전극(152)이 제 1 전극(150)과 접촉한 결과로서 장치가 단락되는 것을 방지하기 위해서 제 2 전극(152)의 컬렉터 요소들을 에워싼다.
제 2 전극(152)의 어레이 간격 및 요소들이 마이크로 및/또는 나노 크기로 존재할 것이다. 그러한 절연 캡 재료의 사용은 제 2 전극(152)을 활성층(116) 내로 가압하거나 임프린팅(인 레잉; in laying)하는 경우에 특히 유용하다.
임프레싱 기술을 사용하는 광기전력 변환소자 장치의 제조과정 동안에, 제 1 전극(150)은 HTL(56)을 가질 수 있고 그러면 활성층(154)은 제 1 전극(150) 상에 직접적으로 배치된다. 제 2 전극(152)이 활성재료(154) 내로 가압된다. 그렇게 하는 경우에, 이 예(즉, HTL)(156)에서 활성층(154)을 정공 컬렉터 재료로 또는 심지어 제 1 전극(150) 내로 가압하는 제 2 전극(152)의 컬렉터 요소들중 적어도 하나를 갖는 것에 의해서 광기전력 변환소자 장치를 단락시키는 것이 가능하다. 만일 제 2 전극(152)이 활성층(154)을 관통하여 컬렉터 재료(156)나 제 1 전극(150)과 근접하면, 광기전력 변환소자 장치가 단락될 수 있다.
임프레싱 기술에 의해서 제조된 광기전력 변환소자 장치에서 그러한 단락상황을 방지하기 위해서, 제 2 전극(152)이 컬렉터(156), 제 1 전극(150) 또는 이들 모두와 접촉한 결과로서 장치가 단락되는 것을 방지하기 위해서 절연체나 분리기 재료(158)가 제 2 전극(152)의 컬렉터 요소들을 에워싼다.
제 1 및 제 2 전극들(150,152)은 절연체나 반도체 재료로 구성될 수 있다. 제 1 전극 및 제 2 전극들(150,152)에 대하여 사용될 공통 재료들은, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 인듐 주석 산화물, 알루미늄, 금, 탄소 나노튜브들 및 플루오르화 리튬이다.
활성재료(154)는 흡수제와 전하 캐리어(예을 들면, 분리 재료) 또는 이들의 조합으로 구성된다. 활성층(154)은 반도체들, 염색제들, 양자점들, 금속 나노입자들, 도전성 중합체들, 도전성 소형 분자들 또는 그 조합들을 포함할 것이다. 컬렉터 재료(156)는 HTL (통상적으로 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)):폴리(스티렌 술포네이트) (PEDOT :PSS)가 될 것이며, 도핑된 폴리(아닐린), 도핑되지않은 폴리(아닐린))이 되거나 또는 완벽하게 존재하지 않을 것이다.
이러한 캡 방법의 사용에 있어서, 절연체(158)는 제 2 전극(152)과 HTL(156) 또는 제 1 전극(150) 사이의 단락을 방지할 수 있는 소정의 비전도성 재료로 구성될 수 있다. 채용될 통상적인 재료들은 하기의 예로서 한정되는 것은 아니지만, SiO2, 폴리(스티렌), 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트)를 포함할 것이다. 절연층이나 절연체(158)의 두께는 컬렉터 재료(156)의 두께보다 두꺼우며, 그래서 제 2 전극(152)의 전도성 부분과 컬렉터 재료(156) 그리고 제 1 전극(150) 사이에는 전기적 접촉이 일어나지 않는다. 만일 컬렉터 재료(156)가 존재하지 않으면, 절연체(158)의 두께는 절연체의 완결성을 위해서 그리고 제 1 및 제 2 전극들(150,152) 사이에 전기적 접촉이 일어나는 것을 방지하기 위해서 필요하다.
제 2 전극/절연체 캡 구조물은 표준 리쏘그래픽 기술들을 통해서 제조될 수 있다. 제 2 전극/절연체 구조물은 증발공정을 포함한 다수의 다른 기술들에 의해서 e-빔 또는 블록 공중합체 마스크 내로 제조될 수 있다. 제 2 전극/절연체 구조물은 전자-화학 공정들에 의해서 제조될 수 있다. 제 2 전극/절연체 구조물은 하드 마스크를 통한 건조 식각을 통해서 제조될 수 있다. 절연체 구조물은 제 2 전극 구조물의 식각을 위한 하드 마스크로서 사용될 것이며, 절연체 캡 구조물로서 작용하도록 제위치에 남겨진다. 절연층(158)의 두께는 만일 존재한다면 컬렉터(예를 들어, HTL) 재료(156)의 두께보다 이상적으로는 약 10 내지 20nm 사이가 될 수 있다. 만일 컬렉터 재료(156)가 존재하지 않으면, 절연체의 두께는 절연체의 완결성을 위해서 약 5 내지 20nm의 범위내에 있을 것이다.
상기한 바와 같이, 고상 결정화(SPC)는 반도체 재료를 결정상(나노결정, 다결정 또는 단결정)으로 만드는데 사용될 것이다. SPC는 본 발명의 전극 구성들과 함께 사용될 것이다. 특히, SPC는 전극 구성이 전극 요소들(예를 들어, 도 5 참조)의 핀형상 세트 및 핀 구조물의 위나 아래에 위치된카운터 전극을 사용하는 경우에 사용된다. SPC는 교호하는 양극과 음극 요소들이 도 12 및 13에 도시된 바와 같이 채용되는 경우에 사용될 것이다. 나노결정(예를 들어, 비정질) 실리콘, 그것의 합금 또는 다른 반도체 재료들이 상호전극 요소 활성층 재료로서 채용되는 경우에, 니켈, 팔라듐, 알루미늄과 같은 금속을 사용하는 금속 유도 SPC 또는 실리콘 유도 고상 결정화(SISPC)가 SPC를 달성하도록 사용될 것이다. 상기한 실시 예에 있어서, 실리콘 재료들, Ni와 같은 SPC 촉매제들, Al와 같은 낮은 일함수 재료 및 바람직한 재료로서 Si3N4와 같은 에워싸는 층들에 대한 참조가 이루어진다. 그러나, 다른 반도체들, SPC 촉매제 금속들, 낮은 일함수 재료들 및 에워싸는 재료들도 사용될 수 있다.
금속 유도 SPC가 채용되는 경우에, 도 19A 내지 도 19H에서 볼수 있는 바와 같은 예시적인 구조물들이 이용되거나 발생될 것이다. 구조물이 예를 들어 유리나 금속과 같은 기판 상에 세워지며, 만일 기판이 금속인 경우에 그 위에는 절연체가 증착된다. 광반사, 플라스몬 발생 또는 이들 모두를 위해서 텍스츄어드(textured) 금속층이 이 절연체 아래에 배치될 것이다. 이와는 달리, 만일 금속 기판이 사용되면, 직접적으로 텍스츄어드(textured)될 것이다. 다음으로, 약 2 내지 10미크론의 두께를 갖는 희생층이 기판(예를 들어 만일 존재하는 경우 절연체 상에) 위로 배치된다. 패턴은 종래의 광학적 리쏘그래피, 홀로그래피, 스탬핑 또는 임프린팅의 개입을 포함하는 리쏘크래피(패턴 전달) 처리를 사용하여 희생층이나 희생층 위의 레지스트 층 또는 이들 모두 위에 위치한다. 만일 후자의 2개 기술들이 사용되면, 이들은 롤 대 롤 포맷으로 수행될 것이다. 희생층 및/또는 레지스트에 있는 패턴은 식각과 같은 표준 기술들을 사용하여 절연체(또는 기판) 아래에 있는 희생층 내로 전달되어, 다중의 동등한 위치들(도 19A 참조)에 "트렌치들"을 형성하게 된다. 금속은 금속 유도 SPC를 위한 촉매제가 되고, 양극이나 음극 요소로서 기능하며, 희생층에 있는 트렌치를 채우도록 배치된다. 금속으로 트렌치를 채우는 것은 증착 및 리프트 오프, 잉크젯 프린팅 및 리프트 오프 또는 시드층의 증착과 그 후의 전자증착(도 19B참조)을 포함하는 다양한 기술들에 의해서 실행될 것이다. 이 단계들은 구조물을 가로지르는 다수의 동등한 위치들에서 실행될 수 있다. 오염 이슈들을 줄이기 위해서, 시드층은 금속 유도 SPC에 대하여 사용될 동일 금속이 될 것이다. 도 19C는 a-Si의 금속 유도 SPC를 위한 니켈(Ni) 요소의 사용을 나타낸 것이다. 도 19C에 도시된 니켈 요소는 그것의 높은 일함수로 인하여 구조물의 양극 요소로서 기능할 수 있다. 금속 요소, 예를 들면 도 19C에 도시된 니켈 요소의 형성후에, 희생층이 제거되고, 결정화될 비정질 반도체가 증착되며, SPC가 수행된다. a-Si의 금속 유도 SPC는 다양한 광 스펙트럼을 통한 급속 열처리(RTA)에 의해서 수행되거나 결정 Si(c-Si)를 얻기 위해서 로 열처리를 사용하여 수행될 것이다. 도 19D에는 열처리의 완수 후 구조물을 나타낸 것이다.
일단 하나의 전극의 요소들, 예를 들어 도 19D에 도시된 바와 같은 양극 요소들이 제 위치에 놓이면, 카운터 전극이 위치될 것이다. 카운터 전극이 도 6에 도시된 전극 요소들(c-Si에 대한 동일한 특징들을 갖는) 위의 평면 전극과 같은 평면이 될 수 있다. 카운터 전극은 도 12 및 13에 도시된 바와 같은 이미 위치된 요소들 사이에서 이격된 요소들로 구성될 것이다. 도 12와 13에 도시된 교호하는 전극 요소들 구성을 추구하기 위해서, 도 19E 내지 도 19G에 도시된 바와 같은 스텝들 또는 그 등가물들이 이어질 것이다. 카운터 전극 요소들에 대한 c-Si 내로 트렌치들을 한정 및 식각하도록 리쏘그래피(패턴 전달)가 사용될 것이다. 그러한 패턴 전달 처리는 롤 대 롤 포맷을 포함하여 종래의 광학적 리쏘그래피, 홀로그래피, 스탬핑 또는 임프린팅의 개입을 포함할 것이다. 임의의 포위층, 예를 들면 질화실리콘 Si3N4가 c-Si 위로 적용될 수 있고, 레지스트 층이 포위층 위로 적용될 수 있을 것이다. 양극 요소들이 도 19D에 도시된 예에서 Ni를 사용하여 만들어지기 때문에, 이러한 특별한 예에서 이러한 음극 요소들에 대한 낮은 일함수 재료가 사용된다. 낮은 일함수 재료의 위치선정은 증착 및 리프트 오프, 잉크젯 프린팅 및 리프트 오프 또는 도 19F에 도시된 바와 같은 시드층의 증착과 재료의 전자증착을 포함하는 다양한 수단들에 의해서 실행될 것이다. 도 19F~19H에는 이러한 일함수 재료가 Al인 예가 특별히 도시되어 있다. 카운터 전극 요소들의 위치선정을 위한 이 단계들은 구조물을 가로지르는 다수의 동등한 위치들에서 실행될 수 있다. 전극 요소들의 제 2 세트에 대한 트렌치들의 생성 전후에 실제적인 SPC 단계가 수행될 것이다. 또한, 이러한 접근의 변종이 사용될 수 있으며, 이때 희생층 재료의 이용이 없고 그 대신에 SPC를 겪을 재료가 도 19A에 도시된 희생재료의 위치에 이미 존재한다.
도 19H에는 최종 장치의 한 전극 요소/카운터 전극 요소 유닛이 도시되어 있다. 도 20에는 전극 요소들을 제외하고는 모든 재료들이 구조물로부터 제거되고 전극 요소들의 결과적 어레이 및 도 19H의 구조물에 존재하는 카운터 전극 요소에 초점을 맞춘 것을 나타낸다. 예를 들어 전극들의 단부에서 실행될 표준 상호연결 책략을 사용하여, 이러한 전극들이 구성되고 그래서 소정 갯수의 유닛들이 직렬 및 병렬로 연결("wired')된다. 직렬 연결이 개입되는 경우, 특정 유닛 경계에서의 격리는 필요할 것이며, 이는 트렌치 식각, 레이저 스크리빙 또는 레이저 삭마와 같은 기술들에 의해서 달성될 것이다.
도 19A 내지 도 19G에는 특정 세트의 처리 단계들이 도시되어 있는데, 다른 대안적인 처리는 도 19H의 구조물의 구조와 기능성을 달성하도록 사용될 것이다. 예를 들면, 전극 요소들의 제 1 세트의 전자화학적 증착의 경우에 있어서, 시드층이 스탬핑되거나 다른 한편으로 절연체 층을 가로질러서 배치되고 도 21에 도시된 바와 같이 제 2 절연체에 의해서 덮힐 수 있다. 제 2 절연층은 시드층의 일부를 양극산화처리함으로써 제조된다. SPC를 겪을 반도체 재료는 고온 와이어 증착, PECVD, 액체 증착 또는 LPCVD 또는 PVD와 같은 화학증착과 같은 기술들을 사용하여 이러한 반도체 절연체 위로 위치할 수 있다. 도 21는 이러한 반도체 층을 통해서 시드층까지 아래로 형성되는 통상적인 트렌치가 보이는 지점으로 진행하는 경우에 이러한 처리를 보여준다. 트렌치 위치들을 달성하기 위한 패턴 전달이 SPC를 겪을 재료 위에서 레지스트를 사용하여 달성된다. 트렌치 위치 패터닝은 후자 2개를 위한 롤 대 롤 포맷을 포함하여 종래의 광학적 리쏘그래피, 홀로그래피, 스탬핑 또는 임프린팅 그리고 SPC를 겪을 재료의 식각의 개입을 포함할 것이다. 전극 요소들의 제 1 세트의 트렌치들의 위치선정과 제 1 전극 요소 세트의 배치 후에, 처리는 SPC 수행과 도 19D 내지 도 19G(이 버전에 존재하는 시드층 및 오버-코팅 제 2 절연층이 도 19D 내지 도 19G에는 도시되지 않음)에 도시된 것과 유사하게 진행될 것이다. 전극 요소들의 제 2 세트에 대한 트렌치들은 이러한 방법에서 제 2 절연체 층을 침투하기에 충분히 깊게 형성되지 않는다. 또한, 이러한 기술에 있어서 금속 박 기판은 시드층으로서 기능할 수 있고 그러한 상황에서 기판을 덮는 제 1 절연체 층이 사용되지 않는다는 것을 알 수 있다. 실제적인 SPC 단계는 전극 요소들의 제 2 세트에 대한 트렌치들의 형성 전 후에 실행될 것이다. 실제적인 SPC 단계는 카운터 전극 요소들의 제조를 위해 사용된 트렌치들의 채움 전 후에 실행될 것이다.
다른 예에 있어서, 패턴은 제 1 세트의 전극 요소들에 대한 트렌치들의 위치선정이 카운터 전극 요소들의 세트의 위치선정을 조성하는데 사용되게 한다. 예를 들면, 임프린팅 패턴 전달은 도 22의 단면으로 나타낸 패턴을 만들어 내도록 사용될 것이다. 그러한 임프린팅은 롤 대 롤 기술들에 의해서 수행될 수 있다. 2개의 다른 깊이로 레지스트 시작 트렌치들 내로 임프린팅 함으로써, 도시된 바와 같이, 다른 깊이 트렌치들이 SPC를 겪는 재료 내로 식각될 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 하나의 전극 요소 세트 및 다른 전극 요소세트에 대한 트렌치들의 식각들이 동시에 일어난다. 레지스트에서 트렌치 깊이 패턴의 조정은 예를 들면 모든 제 1 전극 요소들에 대하여 시드층이 도달할 수 있고 그러나 카운터 전극 요소들의 세트에 대한 절연체 층에는 도달하지 않거나 바로 도달하도록 동시적인 트렌치 식각을 가능하게 할 수 있다. 일단 이것이 달성되면, 처리는 도 19D 내지 19G(트렌치들의 제 2 세트, 시드층 및 과피복된 제 2 절연층이 도시되지 않음)에 도시된 바와 같이 처리될 것이다. 또한, 이러한 기술에 있어서 금속 박 기판은 시드층으로서 기능할 수 있고 그러한 상황에서 기판을 덮는 제 1 절연체 층이 사용되지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한, 실제적인 SPC 단계는 카운터 전극 요소들의 제조를 위해 사용된 트렌치들의 채움 전 후에 실행되거나, 실행되는 경우에는 제 2 세트의 트렌치들의 제 2 완벽한 식각이 수행된다.
반도체 유도 고상 결정화는 금속 유도 고상 결정화에 사용될 것이다. 우리는 실리콘 유도 고상 결정화의 견지에서 이 깊이를 논의한다. 실리콘 유도 고상 결정화(SISPC)는 금속 유도 고상 결정화에 사용될 것이다. SISPC는 SPC 촉매제 금속을 사용하기 보다는 SPC를 위한 촉매제로서 작용하도록 저온 VLS(즉, 실리콘 나노와이어)에의해서 성장한 실리콘을 사용한다. 이에 의해서 SISPC는 SPC 금속 촉매제로부터 활성 층에서 소정 오염물질 가능성을 회피한다. 이러한 동일한 Si는 제 1 전극 요소들의 역할을 수행할 것이다. 예시적인 실시 예들이 도 23A 내지 도 23H에 나타나 있다. 도 23A 및 23B에는 바닥에서 필수적인 VLS 촉매제를 갖는 제 1 세트의 트렌치들을 만드는 기술이 나타나 있다. 도 23C에 있어서, VLS Si(예를 들면, 다중 실리콘 나노와이어들(SiNWs)의 형태로)가 제 1 세트의 전극 요소들의 이러한 트렌치들에서 성장한다. Ti 및 Au를 포함하는 VLS Si 성장을 위한 일정 개수의 잘 알려진 VLS 촉매제들이 존재한다. VLS 촉매제로서 Au를 사용하면, 예를 들어 VLS Si 성장은 약 450 내지 500℃의 온도 범위를 사용하여 수행될 것이다. 이러한 예에 있어서, 전극 요소들/SPC 촉매제의 세트가 음극으로서 취해지고, 그러므로 이러한 Si SPC 촉매제가 성장 도중에 n-타입으로 도핑된다. Si SPC 촉매제의 위치선정 후에, 재료는 SPC를 이용하여 결정화될 것이다. 도 23D에 도시된 바와 같이, 질화실리콘과 같은 임의의 포위 층이 기판 상에 위치할 것이다. 카운터 전극 요소들이 도 23E 내지 도 23H에 도시된 바와 같이 만들어진다. 특히, c-Si는 도 23E에 도시된 바와 같이 카운터 전극 요소들에 대하여 식각될 것이고, 시드층은 도 23F에 도시된 바와 같이 약 lOOnm의 두께를 갖도록 적용될 수 있고, 카운터 전극 요소는 예를 들어 전자증착에 의해서 증착된다. 실제적인 SPC 단계는 카운터 전극 요소들의 제조를 위해 사용된 트렌치들의 생성 전 후에 실행될 것이다. 이 도면은 예로서 높은 일함수 Ni 카운터 전극 요소들을 나타낸 것이다. 제 1 전극이 도 23E에 도시된 음극으로 취해지므로, 카운터 전극은 Ni 또는 p-Si와 같은 높은 일함수 재료로 구성될 수 있다. 후자는 트렌치들의 바닥에 VLS 촉매제 층의 다른 응용에 의해서 만들어져서 양극을 에워싸게 되고 부수적으로 VLS 증착된다.
희생층이 먼저 사용되는 도 23A 내지 도 23H에 도시된 공정의 다른 버전이 존재한다. 이러한 대안적인 실시 예가 도 24A 내지 도 24H에 나타나 있다. 도 24C에 도시된 바와 같은 제 1 세트의 트렌치들에서 VLS에 의한 Si의 성장후에는(도시되지 않음)(이 실시 예에 있어서, 제 1 세트의 전극 요소들이 음극 요소들로 취해짐), 이러한 트렌치들의 제 1 세트를 한정하는데 사용된 희생층은 제거된다. 이것은 SISPC를 겪게될 a-Si를 증착하기 전에 존재하는 VLS 촉매제의 식각 제거를 가능하게 하고 이에 의해서 광 캐리어 수집에 영향을 미치게될 불순물들이 제거된다. 그러면 SISPC가 수행되고 그 결과가 도 24D에 도시되어 있다. 처리의 나머지는 상기한 바와 같이 진행된다. SISPC (이 예에서는 a-Si)를 겪도록 재료가 증착된 후에, 제 2 세트의 트렌치들의 식각은 SISPC 전후에 달성될 것이다.
SISPC는 도 25 및 26에 도시된 구조물과 함께 사용될 것이다. 이러한 실시 예들에 있어서, VLS 촉매제가 기판을 가로질러서 존재하고, 항상 상호연결에 있어서 기능을 할 수 있다. 도 25 및 26에 도시된 레지스트 패턴을 사용함으로써, SISPC를 겪도록 트렌치들이 재료 내로 식각된다. 일 실시 예에 있어서, 도 25에 도시된 바와 같은 트렌치 위치선정 계획은 제 1 세트의 트렌치들이 VLS 촉매제 층까지 아래로 식각됨으로써 얻어질 수 있다. 저온 실리콘 SPC 촉매제가 VLS 촉매제 층을 사용하여 도 25의 실시예의 트렌치들의 세트에서 성장하거나 또는 도 26에 도시된 바와 같은 VLS 촉매제까지 아래로 진행하는 SISPC를 겪도록 재료에서 깊은 트렌치들의 세트에서 성장한다. 이러한 SISPC 촉매제 Si는 이러한 세트의 전극 요소들에 대해 선택된 역할에 따라서 n-타입(음극) 또는 p-타입(양극)으로 도핑된다. 처리는 상기한 바와 같이 도 25 및 26에 나타낸 것처럼(제 2 절연층이나 VLS 촉매제층이 도시되지 않음) 진행된다. 전극 요소들의 제 2 세트에 대하여 사용될 재료들의 재단은 그들의 양극이나 음극 역할에 의해서 좌우된다.
다른 예시적인 실시 예에 있어서, 임프린팅은 앞서 인용한 롤 대 롤 기술에 의해서 도 27B에 도시된 바와 같이 레지스트에 깊고 얕은 트렌치들의 세트를 만드는데 사용된다. 이 예에 있어서, 기판은 2개의 교호하는 금속 및 절연체 층 쌍들로 덮힌 금속 박이될 것이다. 물론, 유리 박이나 플라스틱이 기판으로서 사용될 것이다. 기판이 금속인 경우에, 그것은 바람직한 셀 "와이어링"과 연계하여 제 1 층으로서 기능할 것이다. 거의 완벽함을 위해서, 도 27A-27H에는 Al인 금속층들 및 양극화처리된 Al인 절연층들이 나타나 있다. 도 27C에 도시된 바와 같이, 레지스트에서의 원 트렌치 깊이들에서의 차이는 식각 선택도 차이와 결합되고, 일단 레지스트가 트렌치들의 깊은 세트에서 제거되면 트렌치들의 깊은 세트의 건조 식각이 가능해진다.
도 27D는 트렌치들의 완벽한 세트에 인접한 제 2 금속층 영역들을 절연 지역 내로 전환시키는데 사용되는 양극산화를 나타낸 것이다. 도 27E는 예로서 Ni가 전자증착되고 이에 의해서 전극 요소들의 제 1 세트를 형성하는 것을 나타낸다. 이 예에서 Ni는 선택되므로, 이 요소들은 양극을 구성한다. 마지막으로, 도 27F는 트렌치들이 카운터 전극 요소들에 대하여 완료되고 채워지는 것을 나타낸 것이다. 여기에서 Al이 예시적인 낮은 일함수 재료로서 도시되어 있다. 도 27G와 27H는 레지스트 제거 및 활성층 위치선정을 나타낸 것이다. 여기에서 a-Si 또는 다결정이될 Si의 증착이 예로서 도시되어 있다. 만일 전자가 사용되면, Ni가 SPC에 대하여 사용될 것이다. 대안적으로, Al은 SPC후에 제 2 세트의 트렌치들 내로 채워지거나 또는 낮은 일함수 음극 재료에 대하여 사용되지 않을 것이다. 완료된 구조가 도 27H에 도시되어 있다.
도 19 내지 도 28에 도시된 모든 측방향 수집 구조물들은 SPC없이 사용될 것임을 알 수 있을 것이다. 제조는 SPC 단계의 생략하게 모든 이러한 예들에서 논의한 바와 같이 진행된다. VLS에 의해서 제조된 SISPC Si 뿐만아니라 Ni 및 다른 금속 유도된 SPC 금속들은 그러한 구조물들에서 전극 요소들로서 계속적으로 사용될 것이며, 그러나 그들의 SPC 유도 특성들은 사용되지 않는다; 즉 처리 온도들이 SPC에 대하여 필요하다. 또한, SPC는 이 상황에서 수행되지 않으므로, 은 등과 같은 다른 재료들이 전극 요소들에 대한 후보가 된다. UV 오존 노출이나 요소들 상에서 SAMs의 사용에 의해서 Ni를 NiO로 변환하는 것과 같이 전극 요소들에 대한 표면 처리들이 모든 구조물들에서 사용될 것임을 알 수 있다. 이것은 필요에 따라서 전극-요소들 또는 모두에서 정공 전달/전자 차단 또는 전자 전달/정공 차단 층 특성들을 달성하기 위해서 밴드 에지 스텝들에 의해서 부여된 전압을 활용하도록 수행될 것이다. 도 19 내지 도 27의 구조물들에서 측방향 수집 요소들의 간격은 활성층의 수집 길이 특성에 의해서 지정되는 바와 같이 나노-크기 또는 마이크로-크기가 될 것이다. 이러한 구조물들에 있어서, 전극 요소들이 반도체(흡수제) 재료가 아닌한 전극 요소들의 폭이 기술적으로 가능한만큼 최소화된다. 금속과 유리 박 기판들을 포함하는 금속 또는 유리 기판들에 활용 참조가 주어지는 반면, 이러한 실시 예들에 있어서 플라스틱 및 복합 기판들이 채용될 것임을 알 수 있을 것이다.
다양한 측방향 수집 구조물들의 응용은 명세서에서 개시한 상세한 설명이나 방법론으로 또는 도면에 설명한 것으로 제한되지 않음을 알 수 있을 것이다. 여기에서 채용된 어법과 전문용어들은 단지 설명을 위한 것이며 본 발명을 제한하기 위한 것은 아님을 알 수 있을 것이다. 도면 및 상세한 설명에서 설명하고 있는 예시적인 실시 예들은 바람직하게 주어진 것이며, 이러한 실시 예들은 단지 예로서 제공된 것임을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 출원은 특정 실시예로 제한되지 않으며 첨부된 특허청구범위의 영역 내에서 다양한 변형이 가능하다. 모든 공정이나 방법의 순서나 절차는 대안적인 실시 예들에 따라서 변화되거나 재순서화될 것이다.
다양한 바람직한 실시 예들에서 나타낸 바와 같은 구조물들의 구성 및 배열은 단지 설명을 위한 것임을 아는 것이 중요하다. 비록 본 명세서에서 단지 적은 실시 예들이 상세하게 설명되고 있지만, 본 명세서를 리뷰하는 해당기술분야의 당업자는 특허청구범위에서 재인용된 기술적 사항의 신규한 가르침과 장점들로부터 벗어남이 없이 많은 변형들이 가능함을 쉽게 이해할 것이다(예를 들면, 크기, 칫수, 구조물, 형상 및 다양한 요소들의 비율, 매개변수들의 값들, 장착 배열들, 재료들, 색각들, 방향 등의 사용에서의 변화).예를 들면, 일체로 형성된 것으로 도시된 요소들은 다중 부분들이나 요소들로 구성되며, 요소들의 위치는 역전되거나 변하며, 불균일 요소들이나 위치들의 특성이나 갯수가 바뀌거나 변할 것이다. 따라서, 모든 그러한 변형들은 본 출원의 영역 내에 포함되도록 의도된다. 모든 공정이나 방법의 순서나 절차는 대안적인 실시 에들에 따라서 변화되거나 재순서화될 것이다. 특허청구범위에 있어서, 수단 플러스 기능절은 재인용된 기능을 수행하는 것으로서 여기에서 설명되는 구조물들 그리고 구조적으로 동등한 것 뿐만아니라 동등한 구조물들을 커버하도록 의도된다.
본 출원의 영역을 벗어남이 없이 바람직한 실시 예들의 설계, 작동조건들 및 배열에 있어서 다른 대체, 변형, 변화 및 생략들이 이루어질 수 있다.
101 : 빛 105 : 접점
110 : 컬렉터 구조물 112 : 전도성 층
114 : 기판 116,154 : 활성층
118 : 전도체 120 : a-Si:H 층
124 : 폴리-Si층 128 : 촉매제
130 : 나노 입자들 132 : 나노-요소들
134,136 : 전극들 138 : 절연체
140,150 : 제 1 전극 142,152 : 제 2 전극
156 : 컬렉터 재료 160: 광기전력 변환소자

Claims (4)

  1. 측방향 수집 광기전력 변환소자 구조물로서,
    활성층에 배치된 다수의 교호하는(alternating) 양극과 음극 수집 요소들 -상기 수집 요소들의 위치들은 교호하는 깊이 트렌치 패턴을 한 깊이는 전극의 요소들에 대응하고 다른 깊이는 카운터 전극의 요소들에 대응하는 고상 결정화를 겪도록 재료 내로 패턴 전달하는 것에 의해서 결정됨 -; 및
    기판을 가로질러서 배치된 전도층까지 절연체를 통해서 도달하도록 깊이가 향상되는 트렌치들의 깊은 세트와 고상 결정화를 겪도록 재료에서 종결되는 트렌치들의 제 2 얇은 세트;를 포함하며,
    상기 트렌치들의 얇은 세트는 트렌치 바닥에서 전도성 재료를 가지며;
    상기 금속 전극 수집 요소들은 상기 전도성 층과 상기 재료 상에서 증착되고;
    요소들의 세트의 적어도 하나는 고상 결정화를 향상시키는 기능을 수행하며, 이에 의해서 고상 결정화를 겪는 재료로부터 결정상 활성층이 발생하는,
    측방향 수집 광기전력 변환소자 구조물.
  2. 측방향 수집 광기전력 변환소자 구조물로서,
    활성층에서 교호하는(alternating) 양극과 음극 수집 요소들;을 포함하며,
    상기 요소 위치들은 한 깊이는 전극의 요소들에 대응하고 다른 깊이는 카운터 전극의 요소들에 대응하도록 상기 활성층 재료내로 교호하는 깊이 트렌치 패턴의 패턴 전달에 의해서 결정되고;
    여기에서 트렌치들의 깊은 세트는 상기 기판을 가로질러서 배치된 전도성층까지 절연체를 통해서 도달하도록 그 깊이가 향상되고;
    트렌치들의 두번째 얕은 세트는 상기 활성층에서 종결되고;
    트렌치들의 얕은 세트는 트렌치 바닥에서 전도성 재료를 가지며; 그리고
    상기 층과 상기 재료상에는 금속 전극 요소들이 배치되고 전극과 카운터 전극으로서 기능하는,
    측방향 수집 광기전력 변환소자 구조물.
  3. 측방향 수집 광기전력 변환소자 구조물로서,
    활성층에서 교호하는(alternating) 양극과 음극 수집 요소들;을 포함하며,
    상기 요소 위치들은 한 깊이는 전극의 요소들에 대응하고 다른 깊이는 카운터 전극의 요소들에 대응하도록 고상 결정화를 겪도록 교호하는 깊이 트렌치 패턴의 비정질 실리콘 내로의 패턴 전달에 의해서 결정되고;
    여기에서 트렌치들의 깊은 세트는 상기 기판을 가로질러서 배치된 전도성층까지 절연체를 통해서 도달하도록 그 깊이가 향상되고;
    트렌치들의 두번째 얕은 세트는 고상 결정화를 겪도록 상기 재료에서 종결되고;
    트렌치들의 얕은 세트는 트렌치 바닥에서 전도성 재료를 가지며;
    상기 전도층 또는 전도성 재료중 하나 이상은 기상-액상-고상 실리콘 성장을 위한 촉매제이고;
    이에 의해서 재료의 적어도 한세트의 트렌치들이 도핑된 반도체 성장은 실리콘 유도 고상 결정화를 위한 촉매로서 기능하게 되고, 요소들의 적어도 한 세트에서 활성층 비정질 실리콘이 고상 결정화를 겪는,
    측방향 수집 광기전력 변환소자 구조물.
  4. 제 3 항에 있어서, 모든 실리콘 재료들은 다른 반도체와 교체되는 측방향 수집 광기전력 변환소자 구조물.
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