电极布置和用于在制备光伏表面时使用的套件

申请号 CN201480072396.9 申请日 2014-12-08 公开(公告)号 CN105900249B 公开(公告)日 2017-09-22
申请人 太阳涂料有限公司; 发明人 E·迈蒙;
摘要 提出被构造用于将表面转换成光伏 电池 的 电极 布置和多个微结构。该电极布置包括至少两组 导线 ,所述导线包括具有涂层的线,所述涂层被构造成允许选择性传输电荷载流子。所述线被构造成从其周围介质收集电荷。导线组布置成网格形式,使得不同线彼此 叠加 从而限定电荷收集区域,并且在所述电荷收集区域中彼此绝缘。
权利要求

1.一种电极布置,该电极布置包括至少两组导线,所述至少两组导线包括具有被构造成允许从其周围的介质分别传输两种不同类型的电荷载流子的涂层的不同线,其中,所述至少两组导线布置成网格形式,使得所述不同线彼此相邻从而限定电荷收集区域,并且在所述电荷收集区域中彼此绝缘,其中,所述至少两组的所述不同线分别涂覆有选择性电荷载流子阻挡层。
2.根据权利要求1所述的电极布置,其中,所述至少两组导线中的线在所述收集区域内交织在一起。
3.根据权利要求1所述的电极布置,所述电极布置被构造用于限定多个收集区域,使得在每个收集区域内,所述至少两组导线彼此绝缘,并且所述至少两组导线串联连接在所述收集区域之间,从而提供电荷收集的累积电压
4.根据权利要求1所述的电极布置,其中,所述至少两组线中的至少一组涂覆有选择性电荷载流子阻挡材料,所述选择性电荷载流子阻挡材料包括从IV、II-V、II-VI族的一元、二元或三元n型半导体、PEDOT、PDI、PCBM、ZnO、TiO2和n掺杂中选择的至少一种材料。
5.根据权利要求1所述的电极布置,其中,所述至少两组线中的至少一组涂覆有选择性电荷载流子阻挡材料,所述选择性电荷载流子阻挡材料包括从IV、III-V、II-VI族的一元、二元或三元p型半导体、BBL、PDOT、BBB、CBP(掺杂LiTfsi)、NiO、TPD(掺杂LiTfsi)、聚TPD(掺杂LiTfsi)、螺旋OMETAD(掺杂LiTfsi)中选择的至少一种材料。
6.根据权利要求1所述的电极布置,所述电极布置被构造成限定多个收集区域,所述多个收集区域被布置成,使得在各相邻收集区域之间,所述至少两组导线针对选择性电荷收集是交替的。
7.根据权利要求1所述的电极布置,其中,所述导线被构造为在其外侧传导壳和内侧传导轴段之间具有预定电容的同轴导线,所述同轴导线被构造用于存储多余电能,供进一步使用。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的电极布置,其中,所述至少两组线中的至少一组包括电荷选择性涂层,并且其中,从所述电荷选择性涂层生长光吸收材料;所述光吸收材料被构造用于预定波长范围的光吸收并且致使电荷分离,从而允许通过所述至少两组线中的所述至少一组收集电荷载流子。
9.根据权利要求8所述的电极布置,其中,所述至少两组线中的所述至少一组涂覆有ZnO,所述光吸收材料包括附连到所述涂层的由ZnO形成的至少一个区域。
10.根据权利要求8所述的电极布置,其中,所述至少两组线中的所述至少一组涂覆有氧化,所述光吸收材料包括附连到所述涂层的由氧化钛形成的至少一个区域。
11.根据权利要求10所述的电极布置,其中,所述至少一个区域由ZnO形成并且涂覆有氧化钛。
12.一种用于在制备光伏表面时使用的套件,该套件包括:
用于放置在表面上的根据权利要求1至11中的任一项构造的电极布置;以及能施涂在电绝缘表面上的涂料材料,所述涂料材料包括具有浸没的光吸收材料的液体物质、以及电荷选择性化合物,所述光吸收材料被构造用于吸收预定波长范围的输入光并且作为响应来生成自由电荷载流子的电子-空穴对,所述电荷选择性化合物被构造成附连到所述光吸收材料的选择性区域,并且允许分别传导来自所述光吸收材料的电子和空穴,所述涂料材料施涂于所述表面导致所述光吸收材料分散在所述表面内并且在硬化所述涂料材料时附连到所述表面;
使得当将所述涂料材料施涂于上面放置有所述电极布置的所述表面时,所述电极布置限定用于收集响应于所述光吸收材料吸收的输入光而生成的电荷的电荷收集区域的阵列。
13.根据权利要求12所述的套件,所述套件还包括预定场的源,所述预定场的源被构造并且可操作用于向具有所述涂料材料的所述表面施加所述场,从而影响所述光吸收材料的取向,以按期望取向将它们对准。
14.根据权利要求12所述的套件,所述套件还包括涂料硬化单元,所述涂料硬化单元被构造并且可操作用于向上面具有所述涂料材料的所述表面施加热。

说明书全文

电极布置和用于在制备光伏表面时使用的套件

技术领域

[0001] 本发明涉及用于采集太阳能的技术。本发明提供了用于将所选择表面作为光伏表面操作的材料和系统。

背景技术

[0002] 对能量的需求一直上升并且化石燃料的各种替代品变得越来越可获得。使用太阳能正变成最具前景的替代品之一。使用这个再生能源提供了将从电磁光辐射转换成电的大量可用能量。
[0003] 典型的商购太阳能采集系统利用了为了采集光学能量而准备并且将采集的能量转换成电力的预配置太阳能面板。这些面板设置有合适的电连接,用于从面板的不同区域收集生成的电荷载流子并且将收集到的能量导向电网、存储装置(例如,电池)和/或负载。
[0004] 已经开发了各种类型的光伏系统和技术,从而提供了不同类型的太阳能面板以及将光转换成电的额外构造。例如:
[0005] US2009/217,973描述了一种光伏装置,该光伏装置具有第一电极层、设置在第一电极上的高阻透明膜、第二电极层、和设置在第一电极层和第二电极层之间的无机光敏层,其中,无机光敏层被设置成与高阻透明膜至少部分电接触,并且与第二电极至少部分电接触。无机光敏层具有第一无机材料和与第一无机材料不同的第二无机材料,其中,第一无机材料和第二无机材料表现出II型带偏移能量分布,并且其中,无机光敏层具有第一无机材料的纳米结构的第一群体和第二无机材料的纳米结构的第二群体。
[0006] US 2013/263,918描述了光伏纳米复合物和包括光伏纳米复合物的太阳能电池装置,其中,光伏纳米复合物包括具有选自n型量子点和n型纳米晶体的n型材料和选自p型量子点和p型纳米晶体的p型材料的经溶液处理后的半导体材料的膜,并且其中,n型材料具有相比于真空能级至少与p型材料的导带能级相等的导带能级,p型材料具有相比于真空能级至多与n型材料的价带相等的价带。n型材料的至少一部分和p型材料的至少一部分存在于具有n型材料和p型材料的混合物的体纳米异质结二元纳米复合层中。
[0007] WO 2013/111,160公开了用于制造染料敏化太阳能电池(DSSC)的室温处理。特别地,该发明公开了用于制备能不费力固化、无粘结剂的基于二的太阳能涂料的室温处理,提供了在室温下制造DSSC时使用的高转换效率。

发明内容

[0008] 本领域中需要允许将不同类型的表面转换成光伏面板的高效技术。本发明提供了基于合适的微结构指定的类型的新型技术。本文中描述的技术和微结构可应用于暴露于电磁辐射的任何期望表面并且为表面赋予光伏功能。
[0009] 因此,根据本发明的一些方面,提供了一种被构造用于在光转换中使用的微结构。微结构总体上由结区域和至少两个电荷选择性区域构造。例如,微结构可以是各向异性棒状微结构,具有由第一材料(例如,第一半导体)构成的第一区域和由第二材料(例如,第二半导体)制成的第二区域。总体上,至少一种材料或这些材料的组合具有与太阳能谱的至少部分相符的吸收谱,从而允许吸收撞击到微结构上的环境光。第一区域和第二区域之间的界面提供了结区域,该结区域被构造成致使在第一区域和第二区域之间分离因吸收而生成的电荷载流子。
[0010] 根据一些其他示例,微结构可被构造为各向异性三维结构,该三维结构包括被构造用于响应于一个或更多个波长范围的输入电磁辐射的吸收来生成自由电荷载流子并且在不同电荷载流子之间分离的区域。可将多个这些微结构施涂到期望表面上,以容易将表面转换成响应于输入的电磁辐射来生成自由电荷载流子的光伏表面。可通过沿着表面的适宜特定布线来收集生成的自由电荷载流子,以提供电能
[0011] 另外,本发明还提供了一种液相物质,该液相物质可包括或接触多个各向异性微结构,微结构被构造成响应于输入的电磁辐射来生成自由电荷载流子。可容易将这种液体物质施涂到表面上,并且在通过向液体物质施加热(例如,借助施加的用于固化或干燥物质的电磁辐射和/或温度场)来硬化它时,微结构在附连到表面的同时,保持沿着表面分布。
[0012] 另外,液体物质/混合物可包括合适的传导选择性化合物,传导选择性化合物被构造成与微结构的合适区域相互作用并且在表面上的液体混合物硬化之后长时间地维持这种相互作用。传导选择性化合物被选择成能够提供从微结构到其周围的自由电荷载流子的电荷选择性传输。更具体地,液体混合物可包括至少第一类型的传导选择化合物和第二类型的传导选择化合物,选择第一类型的传导选择化合物和第二类型的传导选择化合物,使得第一化合物类型被构造成允许电子从微结构传导到周围介质中的特定电子传导材料,第二化合物类型被构造成允许空穴从微结构传导到周围介质中的特定空穴传导材料。以下,进一步更具体地描述这种微结构的构造。
[0013] 此外,本发明提供了一种电极布置,该电极布置被构造成根据具体情况从上述“光伏”表面或一般从任何光伏表面收集生成的自由电荷载流子。电极布置包括至少两组导线,各组导线被构造成(例如,用合适涂层进行处理)选择性地允许从其周围收集电荷载流子。至少两组线被构造成沿将被其收集电荷载流子的表面散布。不同组的导线优选地沿着用于收集其中生成的电荷载流子的区域布置并且在选择的区域内彼此叠加,同时彼此绝缘。
[0014] 应该注意,至少两组线可被构造成,使得第一线组允许收集正电荷载流子(即,空穴、阳离子等)。而第二线组允许收集负电荷载流子(即,电子、阴离子等)。为了提供这种电荷选择性,可用电荷传输选择性材料涂覆第一线组和第二线组。这些材料可包括用于第一线组的电子阻挡涂层和用于第二线组的空穴阻挡涂层。例如,可将NiO涂层施涂到第一线组上,以防止收集电子。第二线组可被涂覆氧化锌(ZnO)层,从而防止收集空穴并且允许第二线组进行电子收集。
[0015] 可组装液体混合物/物质、微结构(和传导选择性化合物)和电极布置,以提供用于制备光伏转换的表面的套件。该套件包括作为涂料层施涂于期望表面的液体混合物和微结构。另外,可沿着用于收集微结构生成的自由电荷载流子的表面伸展电极布置。
[0016] 更具体地,微结构被总体构造为三维结构,该三维结构具有至少三个功能上不同的区域,这些区域包括用于吸收一个或更多个预定波长范围的入射电磁辐射的至少一个吸收区域和用于迁移通过光吸收生成的自由电荷载流子的至少两个电荷选择性传输区域。微结构被构造成,使得在吸收区域中吸收的输入光生成在结区域中离开彼此而迁移的一对电荷载流子并且电荷选择性传输区域将如此生成的电荷载流子迁移走,以允许收集电荷。
[0017] 在一些实施方式中,微结构被构造成限定至少三个臂,这三个臂从公共界面/点分别沿着至少三个不同相交轴延伸。这至少三个臂可被分别构造为如以上提到的至少三个功能上不同的区域。另选地,该构造可以使得这些臂中的两个分别被构造且可操作为不同的电荷选择性传输区域,而这些区域的延伸一起形成用作吸收区域的第三臂。
[0018] 总体上,可使用本文中描述的技术和元件进行任何期望的(非传导的)表面到太阳能收集表面的简单且容易的转换。该转换处理与将用于电荷收集的关联电极布置安放在期望表面上并且用包含液体混合物的微结构涂刷覆盖有电极的表面一样简单。该混合物会需要硬化(例如,固化),以及还会需要按照结构的实际材料成分和构造来对准微结构以优化性能。
[0019] 因此,根据本发明的一个方面,提供了一种用于光转换的微结构,该微结构具有各向异性三维构造,所述三维构造包括:
[0020] 至少一个吸收区域,被构造成吸收预定波长范围的输入光并且作为响应来生成自由电荷载流子;
[0021] 至少一对选择性电荷传输区域,其包括被构造成允许传输自由电子的至少一个区域和被构造成允许传输空穴的至少一个区域,所述一对选择性电荷传输区域可借助通过所述至少一个吸收区域形成的界面连接在其间;
[0022] 所述微结构因此被构造成将所述至少一个吸收区域吸收的所述预定波长范围的输入光通过所述选择电荷传输区域转换成电子和空穴的电荷流。
[0023] 所述各向异性三维构造可诸如限定至少三个臂,所述至少三个臂分别对应于所述至少一个吸收区域和所述至少一对选择性电荷传输区域。
[0024] 所述选择性电荷传输区域可以是分别具有n和p型掺杂以向电荷载流子提供选择性传导的相同半导体材料成分的区域。另选地,所述选择性电荷传输区域可由第一半导体材料成分和第二半导体材料成分(例如,ZnO和CuO)形成。在这种情况下,该构造使得光的吸收出现在这些材料中的至少一个的区域处或者其间的界面中,并且这些材料之间的界面(异质结)引起第一半导体材料成分第二半导体材料成分之间的电荷分离。另外,选择性电荷传输区域分别由合适的(例如,空穴/电子选择性传导)半导体材料成分构成。例如,吸收和分离区域可以是第一半导体材料和第二半导体材料的芯-壳结构,而第一半导体材料和第二半导体材料沿着第一相交轴和第二相交轴从所述芯-壳结构的延伸限定选择性电荷传输区域。
[0025] 微结构还可包括取向机构,取向机构被构造成响应于施加的外部场来变化微结构的取向。这可以是例如磁性元件,磁性元件响应于施加的磁场施加致使微结构旋转的旋转力。这样使得能够按照磁场的方向将微结构取向。
[0026] 如以上指示的,微结构还可包括传导选择性化合物,传导选择性化合物被构造成分别传输负电荷载流子和正电荷载流子(例如,电子和空穴),并且与选择电荷传输区域相互作用,从而允许从微结构收集电荷。传导选择性化合物可包括诸如聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)和聚-(苯并咪唑苯并邻二氮杂菲)(BBL)聚合物的聚合化合物,以及可包括用于空穴传导的聚合和溶胶-凝胶化合物(例如,聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT))和用于电子传导的ZnO溶胶-凝胶。另选或另外地,微结构可包括多孔材料(例如,金属)或导电气凝胶。孔的表面可被涂覆空穴或电子选择性导体。而孔被填充相反的载流子传输材料(例如,离子液体(IL)、空穴传输材料(HTM)或导电凝胶(CG))。因此,总体上,本发明的微结构由一起形成互相贯通的导电结构的两种或更多种材料构成,其中,所述两种或更多种材料均是导电的;然而,这些材料相对于电荷载流子彼此电隔离
[0027] 根据本发明的另一个方面,提供了一种液体物质,所述液体物质包括如上所述构造的其中浸没多个微结构的溶液,所述液体物质被构造成使得能够将其施涂到表面上,从而将微结构分散在表面上。
[0028] 根据本发明的又一个方面,提供了一种液体物质,所述液体物质包括浸没在其中多个微结构并且被构造成施涂到表面上以将微结构分散在表面上,其中:
[0029] 所述多个微结构被构造为各向异性微结构,各向异性微结构适于吸收预定波长范围的输入光并且作为响应来生成自由电荷载流子的电子-空穴对;以及
[0030] 至少第一类型的化合物和第二类型的化合物,其被构造成附连到各向异性微结构的选择性区域,并且允许分别传导来自微结构的电子和空穴。
[0031] 根据本发明的另一个方面,提供了一种电极布置,该电极布置包括至少两组导线,所述至少两组导线包括被构造成分别从其周围的介质传输两种不同类型的电荷载流子的不同线,其中,所述至少两组导线布置成网格形式,使得所述不同线彼此叠加从而限定电荷收集区域,并且在所述电荷收集区域中彼此绝缘。
[0032] 例如,所述两组中的不同线被分别涂覆选择性电荷载流子阻挡层。
[0033] 所述两组中的线可在收集区域内交织在一起。
[0034] 所述电极布置通常被构造成限定多个所述收集区域,使得在所述收集区域中的每个内,所述至少两组导线彼此绝缘,并且所述至少两组导线并联连接或者串联连接在所述收集区域之间,从而提供电荷收集的累积电压
[0035] 所述导线可被构造为在其外侧传导壳和内侧传导轴段之间具有预定电容的同轴线。
[0036] 根据一些实施方式,电极布置可被构造成,使得所述至少两组线中的至少一组包括电荷选择性涂层并且其中从所述电荷选择性涂层生长多个微结构。所述多个微结构被构造成吸收预定波长范围的光并且致使电荷分离,从而通过所述至少两组线中的所述至少一组收集电荷载流子。通常,电荷载流子可直接、即通过微结构的对应端部与线的接触或者通过涂料材料的导电元素,传输到对应的线。例如,所述至少两组线中的至少一组可被涂覆ZnO或氧化钛(二氧化钛)或涂覆有氧化钛的ZnO,所述微结构包括附连到所述涂层的由ZnO(或氧化钛)形成的区域。而微结构的另一端可涂覆CuO,以提供用于吸收和电荷分离的异质结。在这种构造中,可使用用于第二线的PEDOT涂层允许向其传导空穴(正电荷载流子)。
[0037] 总体上,根据本发明的一些实施方式,所述至少两组线中的至少一组被涂覆选择性电荷载流子阻挡材料,所述选择性电荷载流子阻挡材料包括从IV、III-V、II-VI族的一元、二元或三元n型半导体、PEDOT、PDI、PCBM、ZnO、TiO2和n掺杂氧化中选择的至少一种材料。所述至少两组线中的至少另一组可被涂覆选择性电荷载流子阻挡材料,所述选择性电荷载流子阻挡材料包括从IV、III-V、II-VI族的一元、二元或三元p型半导体、BBL、PDOT、BBB、CBP、NiO、TPD、聚TPD、螺旋-OMETAD中选择的至少一种材料。
[0038] 根据本发明的另一个方面,提供了一种用于制备光伏表面的套件,该套件包括:
[0039] 涂料材料,其能施涂在电绝缘表面上,所述涂料材料包括具有浸没的多个各向异性微结构的液体物质和电荷选择性化合物,所述各向异性微结构被构造成吸收预定波长范围的输入光并且作为响应来生成自由电荷载流子的电子-空穴对,所述电荷选择性化合物被构造成附连到所述各向异性微结构的选择性区域,并且允许分别传导来自所述微结构的电子和空穴,所述涂料材料施涂于所述表面并且其硬化导致所述微结构分散在所述表面内并且附连到所述表面;以及电极布置,其被构造成放置在所述表面上,所述电极布置包括至少两组导线,所述至少两组导线包括不同线,所述不同线被构造成从其周围介质分别传输两种不同类型的电荷载流子,使得当向上面放置了电极布置的表面施涂涂料材料时,所述电极布置限定电荷收集区域的阵列,所述阵列用于收集响应于所述微结构吸收的输入光而生成的电荷。
[0040] 该套件还可包括预定场的源(例如,磁场源)以影响各向异性微结构的取向;以及可包括合适的涂料硬化单元(例如,固化单元)。附图说明
[0041] 为了更好地理解本文中公开的主题并且例示实际上可如何执行主题,现在将参照附图仅仅以非限制示例的方式来描述实施方式,其中:
[0042] 图1示出根据本发明的提供光伏能量采集的期望表面的转换;
[0043] 图2A至图2C示出根据本发明的一些实施方式的光伏微结构的示意性构造,这些结构具有2区域构造(图2A)、各向异性3区域构造(图2B)和允许在这些微结构中电荷分离的能带结构(图2C);
[0044] 图3示出根据本发明的一些实施方式的微结构的构造,具有吸收区域的芯-壳圆柱形构造;
[0045] 图4示出根据本发明的一些实施方式的微结构,包括(通过配体)附连到微结构表面区域的电荷选择性化合物;
[0046] 图5示出根据本发明的一些实施方式的被构造用于从被转换表面的电荷收集的电极布置;
[0047] 图6示出根据本发明的一些实施方式的从电荷选择性涂覆线生长的微结构;以及[0048] 图7A至图7B示出用于例示理论量子效率和填充因子的计算的、本发明的基于微结构的太阳能电池的模拟电流密度随电压的变化而变化[J/V]的示图。

具体实施方式

[0049] 因此,在本发明的一些方面,本发明提供了适于用于光伏能量转换的微结构。根据本发明的技术,包含这些微结构的液相物质可被施涂于期望表面,被暴露于输入的电磁辐射,以将这个表面转换成能够将输入电磁辐射转换成电能的光伏表面。
[0050] 参照图1,图1示出用本发明的液体物质在暴露于太阳辐射的表面1000的区域500内对表面1000进行涂刷,从而允许被涂刷的表面区域500将入射到其上的输入辐射转换成电能。以下,将进一步更详细地描述微结构的构造和材料成分以及提供涂料材料的液体混合物和电荷收集技术。
[0051] 参照图2A和图2C,图2A和图2C示意性示出根据本发明的一些实施方式的微结构颗粒10的两个示例的构造。图2A示出各向异性棒状微结构10;图2B示出各向异性复合微结构10并且图2C示出微结构的能带结构。如所示出的,在这个示例中,图2A的微结构10被构造为棒状微结构,由不同电子性质(通常,两种不同的材料或不同掺杂的材料)区域14和16的至少两个区域构成。第一区域14和第二区域16之间的界面12提供响应于吸收了(合适波长范围的)光致使电荷分离的接合面。针对区域14和16的材料选择使得由于光吸收而生成的自由电子将向着电子传导区域14移动。此时自由空穴将向着空穴传导区域16移动。应该注意,微结构可由第一材料(例如,电子传导材料)的棒状结构构成,在其截面上具有第二材料的合适涂层。通常,形成第一区域14和/或第二区域16或其间的接合面/界面12的材料中的至少一种具有用于在至少一个预定波长范围中提供有效光吸收的合适电子结构。此波长范围可例如包括可见光。
[0052] 图2B示出具有多个(三个或更多个)臂构造的微结构10的额外构造。如所示出的,微结构10被形成为各向异性颗粒,包含可以是或不是异质结的至少一个光吸收区域(臂)12、以及包括至少一个电子传导区域和至少一个空穴传导区域的至少两个电荷选择性区域(臂)14和16,至少一个电子传导区域和至少一个空穴传导区域被构造成允许分别传导电子和空穴,使其远离吸收区12。
[0053] 在一些构造中,微结构10还包括作为取向区域(用虚线示出)的至少一个额外区域18。取向区域(臂)18包括被构造成响应于外部场影响微结构的取向的取向元件/机构。例如,区域18可包括磁性元件/材料,从而允许通过酌情施加场(在这个示例中,磁场)来控制微结构的取向。
[0054] 微结构10可大体是各向异性棒状结构或具有三维结构的各向异性结构,配置有适于提供电荷分离的例如图2A和图2B中示出的预定的几何形状和/或材料成分。更具体地讲,在吸收区域12中吸收了光时,在吸收区域附近生成电子-空穴对。选择微结构的几何形状和/或材料成分,诸如将生成的自由电子沿着电子传导区域14引导并且将空穴沿着空穴传导区域16引导。微结构的大小可大体是大约微米级或更小,例如,三维结构可拟合到直径是大约10-7-10-6米的球体(或大约100-5000nm的棒)。但应该注意,优选地,按照如图2A的示例中的吸收区域12或由合适吸收材料构成的区域的吸收系数,确定微结构的大小。吸收系数是材料成分用途的参数并且还与吸收区域的结构有关。另外,还可使用诸如所使用材料内的激子半径和为了高效电荷收集而需要的电荷分离的参数来确定微结构的大小和结构,以提供高效的光转换。
[0055] 在一些示例中,微结构具有长度为100nm至5μm(优选地,长度为200nm至2μm)的吸收和电荷迁移区域。每个这种臂可以具有10-500nm的半径,而不同的臂可具有不同的半径,例如,吸收区域可更宽(具有更大的直径),因为它可以是具有适宜电子传输性质的围绕芯的光吸收壳的形式。不同的臂可附连在一起并且相对于彼此按70°至130°(优选地,90°至115°)的度关系取向。根据一些实施方式,微结构具有三维四面体形状,使臂之间的角度是大约109°。
[0056] 关于这一点,图2C示出根据本发明的一些实施方式的微结构的能带结构的示例。在这个示例中,微结构包括对于正电荷载流子(空穴)和负电荷载流子(电子)的传导亲和性不同的至少两个区域和在至少两个电荷迁移区域之间形成界面的吸收区域。光子20在吸收区域处被吸收,激励电子从对应的价带VB16到达导带CB16,从而生成电子-空穴对。被激励的电子通过导带态在电子传导区域CB14中传输,随后可被例如通过配体24连接/附连到电子传导化合物的电子传导基质材料(化合物)收集。类似地,生成的空穴沿着空穴传导区域VB16的价带传播,例如通过配体26被与区域VB 16相互作用的空穴传导化合物收集。
[0057] 微结构可被构造为具有两个区域的棒,两个区域具有不同电子传输性质,即,一个区域相对于第二区域(具有优先进行空穴传导的电子性质)具有优先进行电子传输的能带结构。另选地,例如,微结构可由三个或更多个连接臂(或在包括取向区域的情况下,四个或更多个臂)构造。
[0058] 在图3中更详细例示了这种四面体状几何结构的构造和工作原理,图3示出微结构10具有连接于连接区(点)的四个臂。电子传导臂14和空穴传导臂16附连于连接点并且延伸到吸收臂/区域12中。如以上指示的,吸收区域12表现出电子传导区域14和空穴传导区域16之间的界面,从而提供能够由于吸收而支持电荷分离的光吸收区域。例如,如图中所示,微结构包括具有圆柱状几何形状的吸收臂12,其中,内圆柱体配置有第一电传输性质,并且被具有第二电子传输性质的外圆柱体包围。因此,在这个示例中,吸收区域12由两个子区域构成,这两个子区域配置有具有电子传输性质的材料成分和具有空穴传输性质的材料成分构成。这些子区域分别沿着臂14和16延伸到臂12外部,从而形成与吸收区域12通过界面接合的电子和空穴传输功能区域。吸收区域的此内-外构造提供进行电荷分离的最小距离,而与生成电子-空穴对的实际位置无关。然而,应该注意,可使用微结构10的额外界面构造以及半涂覆棒和其他三维构造。
[0059] 吸收区域和电子传导区域和空穴传导区域可由具有不同掺杂(诸如,n和p型掺杂)的类似材料成分(例如,半导体材料)制成。另选地,不同区域可由提供异质结区域的两种(或更多种)不同材料成分制成。更具体地,微结构可以是在对应区域中具有n和p型掺杂、或者由能带结构和/或对应电传输性质不同的两种不同半导体材料以及有机、聚合、或小分子型半导体材料构造的半导体结构(例如,)。然而,应该注意,对于至少一个波长范围选择空穴传导材料成分和电子传导材料成分中的至少一个或其间形成的接合区域以进行光吸收。
[0060] 例如,微结构可由作为空穴传导材料成分的氧化物的一种或更多种变形形式(AzCuxOy总体上在本文中称为CuO)和作为电子传导材料成分的锌氧化物的一种或更多种变形形式(BzZnxOy总体上在本文中称为ZnO)形成。在这种构造中,吸收区域优选地被构造成异质结,使得CuO壳相对于ZnO内(芯)区域在外部,以在界面区域中提供增强的吸收性质。具体地,根据一些构造,ZnO的内圆柱体(芯)可形成有10-20nm的直径,而外部CuO区域提供包围内ZnO区域的5-15nm的壳。另外,电子传导区域和空穴传导区域(图中的14和16)可被形成为吸收区域的结构的延伸。
[0061] 应该注意,通常,本发明的微结构可由按照其电子传输性质而选择的各种合适材料成分(具体地,半导体材料)形成。这些材料可包括但不限于TiO2、SiC、掺杂Mn/Mg的TiO2、掺杂Mn/Mg的ZnO、AlCuO Cu2O、和所有IV族、III-V族和II-VI族半导体二元、三元或更多元的化合物和合金、或芯-壳状构造、以及有机、聚合、或小分子型半导体材料。
[0062] 异质结构微结构的合成的通用程序是,从一种材料生长基体微结构,之后在基体微结构的特定部分顶部上选择性生长第二材料,或者另选地,在基体微结构的特定位置处进行部分阳离子交换,二者都导致包含两个(或更多个)不同区域的微结构。根据一些实施方式,这种异质结构可以是圆柱状芯壳构造。微结构的所有溶液合成的示例是在有机溶液中从Zn络合物(前体)胶体生长ZnO(或掺杂的ZnO)四角锥,之后在成/有机界面上的Langmuir Blodgett膜中进行选择性生长或选择性阳离子交换,以在特定区域上形成CuO涂层。另外的合成方法可以是在玻璃/石英固体载体上通过高温分解(空气中加热)从可溶Zn盐外延生长ZnO点,之后通过CBD(化学浴沉积)从晶种表面生长ZnO棒,在此之后在CBD中或者另选地通过阳离子交换进行CuO生长,以用CuO涂覆棒。最后,从固体载体移除异质结构纳米棒并且将其转移到有机溶液以便生长另外ZnO臂从而创建异质结构四角锥。
[0063] 为了将期望表面转换成能量采集表面,上述微结构可优选地以适于优化吸收的取向沿期望表面散布。为此目的,如上所述,微结构10可包括取向区域18,取向区域18包括至少一个取向元件/机构180。取向元件被构造成通过生成作用于微结构10的旋转力来响应于(场矢量的预定方向的)预定外部场,从而致使其旋转至按照外部场的选择方向的取向。例如,取向元件180可以是磁性元件(例如,磁金属(例如,钴、铁)或诸如磁铁(Fe3O4)的矿物质),磁性元件能以磁场方向期望地布置,以允许微结构总体的正确取向。在微结构中设置取向元件允许在微结构位于期望表面上的同时将微结构取向(并且在将微结构施涂到表面上之后至少短时间内保持这个取向),使得吸收区域12面向表面的外部,例如,吸收臂基本上垂直于表面地背离表面延伸,从而使微结构进行的光吸收最大化。
[0064] 另外,微结构可包括附连(例如,借助配体)或紧邻微结构的对应表面区域的两种或更多种传导选择性化合物(基质材料)。通常,对于上述各向异性三维结构,传导选择性基质材料至少包括第一基质材料和第二基质材料,第一基质材料和第二基质材料被构造用于分别传输负电荷载流子和正电荷载流子,从而允许从微结构收集电荷。这在图4中例示,图4示出微结构10,在微结构10中,多个配体140和160附连到微结构的各个区域并且从其延伸并且连接到对应的传导选择性化合物(电子传导基质材料和空穴传导基质材料)。与配体140和160关联的传导选择性化合物通常可以是聚合物或溶胶-凝胶和其他材料中的至少两种类型的一部分。
[0065] 选择这些材料,使得第一类型化合物140能够选择性传输电子并且第二类型化合物160允许选择性传输空穴。这种选择性传输提供了从微结构10进行合适的电荷收集。因此,(借助配体140)附连到微结构10的电子传导区域14的电子传导基质材料有助于从微结构10收集电子,并且(例如,借助配体160)附连性微结构10的空穴传导区域16的空穴传导基质材料有助于从微结构10收集空穴。应该注意,附连的配体可用于为如图2A中所示的棒状微结构或基本类似技术中的任何其他选定几何形状提供选择性电荷传输。
[0066] 第一传导选择性基质材料和第二传导选择性基质材料可例如包括聚-3,4-亚乙二氧基噻吩(PEDOT)和聚-苯并咪唑-苯并邻二氮杂菲(BBL)分子聚合物。另外合适的基质材料包括但不限于用于负电荷载流子(例如,电子)传导的PDI、PCBM、ZnO(溶胶凝胶)、TiO2(溶胶凝胶)和用于正电荷载流子(例如,空穴)传导的PDOT、BBB、CBPP(掺杂LiTfsi)、NiO、TPD(掺杂LiTfsi)、聚TPD(掺杂LiTfsi)、螺旋OMETAD(掺杂LiTfsi)。应该注意,第一传导选择性材料和第二传导选择性材料还可以是聚合化合物、其他溶胶-凝胶化合物、或者根据一些示例,具有涂覆有空穴或电子传导选择性材料的孔表面同时孔被填充相反载流子传输材料(例如,离子液体(IL)、空穴传输材料(HTM)或导电凝胶(CG))的一种或更多种多孔材料(例如,金属)或导电气凝胶。还应该注意,通常,任何一组材料可形成互相贯通的传导结构,其中两组材料是导电的,但彼此电隔离。
[0067] 如以上指示的,第一传导选择性基质材料和第二传导选择性基质材料通常是按照它们的电子传输性质来选择的,以及是基于它们的附连到微结构10的表面材料的亲和性。为了具体地将基质材料附连到微结构的对应区域,可使用微结构材料和传导选择性化合物之间的不同亲和性,或者另选地,但并非唯一地,通过在水成/有机界面中的Langmuir Blodgett膜中进行配体交换处理,可具体地在特定区域中交换传导选择性化合物。
[0068] 根据本发明的一些实施方式,可通过在基板上生长晶种棒并且提供预定生长操纵来制作微结构。以下是根据本发明的一些实施方式的制作光吸收微结构的技术的非限制示例。
[0069] 惰性的且相对平滑的基板(例如,Si/SiO2、玻璃、FT、ITO、或任何其他合适的基板)被覆盖N型半导体晶种层。半导体可以是通过在有或没有掺杂剂的情况下用Zn溶胶-凝胶溶液浸涂表面并且对溶胶凝胶进行干燥和退火而施涂在表面上的ZnO。利用来自水溶液的热分解,从晶种层生长ZnO棒。当棒具有期望长度(例如,100至500nm)时,基板和棒被退火。棒被涂覆缓冲绝缘层(例如,氧化硅或氧化铝)以形成耗尽区。可通过在水溶液中或有机溶液中进行化学浴沉积(CBD)或用任何其他合适的已知方法,将缓冲绝缘层带涂覆在棒上。另外的涂覆技术包括离子(例如,阳离子)交换、连续离子层吸收和反应(SILAR)、有或没有气溶胶辅助的化学气相沉积(CVD)、溅射和/或原子层沉积(ALD)。在ALD的情况下,优选地,将硅和/或铝前体与作为反应剂的水供给到ALD的气体入口管,以在棒上形成绝缘体层的受控层。
[0070] 在缓冲涂覆之后,棒被涂覆P型半导体(诸如,CuO)的薄层。这个涂覆可在水溶液和/或有机溶液中通过CBD进行。半导体涂覆的替代方法包括阳离子交换、AA-CVD、溅射、SILAR和/或ALD。如以上指示的,利用ALD涂覆技术总体上包括将CuO前体连同作为反应剂的水一起供给到ALD的气体入口管,以在棒上形成CuO的受控层。这个半导体涂覆提供具有界面区域和不同电子性质的两个或更多个区域的异质结构。在涂覆之后,从晶种基板的表面去除掉异质结构。这可通过机械剥离、基板的化学蚀刻、声波降解法或任何其他合适方法来执行。然后可将异质结构分散在溶液中,随后通过附加的声波降解法将其重新悬于溶液中。
[0071] 如有需要,可进一步生长异质结构的半导体之一,例如,ZnO区域。这可使用ZnO的暴露的晶种层作为附加晶种来进行,用于在异质结构的棒的相反侧进一步生长。可使用附加的这些生长方法来生成上述的三维各向异性微结构。
[0072] 因为光吸收,可使用微结构作为涂料状液体混合物/物质中的颜料。液体混合物包括浸没在液体溶液中的如上所述的多个微结构。液体溶液被构造成允许在期望表面上进行其简单涂覆,同时在被暴露于空气之后在适宜时间段内进行干燥。另外,液体混合物可包括至少第一传导选择性类型和第二传导选择性类型的多种化合物(例如,具有对应配体)。传导选择性化合物能够在液体溶液中时或者在其硬化时与微结构的对应区域电子地相互作用(例如,借助配体附连到对应区域)。液体混合物可被构造成在被暴露于空气之后在合适时间段内干燥,或者另选地,液体混合物可被构造成,使得需要进行适宜的加工/处理以适当地干燥或固化。这种加工/处理可包括加热涂刷表面以进行退火并且有助于干燥(例如,当使用PEDOT时)和/或用超紫外照射来辐射表面以固化和固定混合物成分和/或使用溶胶凝胶技术(例如,用于ZnO电子传导)。
[0073] 应该注意,按照材料性质(例如,将被施涂的期望表面的性质),液体溶液可包括水溶液、和/或合适的有机溶剂和/或合适的油。另外,根据一些实施方式,液体混合物可包括被选择用于防止微结构的聚集的一种或更多种材料。
[0074] 如以上指示的,总体上,可利用输入电磁辐射将任何非导电表面转换成能量采集表面,以生成电能。这种表面转换总体上包括在其上施涂包含液体混合物的微结构的层(连同用于读出生成的电能的适宜电路一起)。根据一些实施方式,液体混合物可留在空气中干燥几分钟,或者它可经受利用例如UV辐射、电偏置或加热进行的适宜固化。
[0075] 另外,根据一些实施方式,微结构可构造为通过施加具有期望方向和大小的外部场在层内对准。如上所述,外部场可以是通过合适磁场源(例如,永磁体或电磁体)产生的磁场。位于微结构的取向区域中的取向元件通过对微结构施加旋转力来响应于外部(磁)场,从而沿着通过场的方向确定的轴对准/取向微结构。如以上指示的,对于芯-壳圆柱状吸收区域而言,优选地对准微结构,使得包含微结构的臂的吸收区域基本上相对于对应表面垂直地延伸,以优化输入光的吸收。
[0076] 参照图5,图5示出根据本发明的技术的从涂刷的“光伏”表面500读出或收集生成的电能的电路。该电路被构造为电极布置30,电极布置30包括布置成覆盖预定面积的区域的网形式的导线,在本示例中示出两个这些区域42和44。电极布置30被构造成沿着表面拉伸(铺开),并且大体由至少两组导线32和34形成。对至少两组导线进行预处理,以选择性地允许从周围的介质收集电荷载流子。这个预处理可包括用允许来自周围的负电荷载流子(例如,电子)的传输而阻挡正电荷载流子(例如,空穴)的传输的材料来涂覆第一组导线32。此涂覆可以是但不限于用线的表面上的n-ZnO薄层,还可使用另外的负电荷选择材料。类似地处理第二组导线34,以例如但不限于通过氧化镍(NiO)的薄层允许传输空穴而阻挡电子传输,还可使用另外的正电荷选择材料。不同组被布置成沿着表面的网形式,以在所有微结构和最近的电极之间提供预定最大距离。例如,第一组线32和第二组线34可被构造成相邻线之间具有1微米至1毫米之间的距离的网形式,优选地,对立组的相邻线之间大约0.5毫米。由于电子阻挡层和空穴阻挡层中的每个通常构成隔离层,因此至少两组导线可大体在相交点36处彼此覆盖。这样允许沿着宽表面选择性收集电荷载流子,同时防止由于短路而导致收集到的能量有损失。另外或另选地,可将诸如塑料或其他聚合物的隔离材料引入相交点,以确保防止例如由于组装期间的摩擦可出现的短路。
[0077] 如所指示的,电极布置30可被构造成覆盖多个收集区/区域42和44。在收集区中的每个内,不同的导线32彼此绝缘,以在其间提供定电压。虽然这在区38之间过渡处,但一个区(例如,区42)的负电荷收集导线电连接到相邻区(例如,区44)的正电荷收集导线。因此,在收集区中的每个内,不同组的导线彼此绝缘,同时在各区之间串联连接。电极布置的这种构造允许累积通过沿着表面的电荷收集而生成的电压。
[0078] 应该注意,图5中例示的电极布置的构造提供了高度健壮的电收集设置。导线组之间的内部连接允许能量收集,即使正被覆盖的表面不是连续的,例如,即使在网结构中出现穿孔。电极布置的这个特征允许在暴露于光子辐射的任何表面(包括建筑物墙壁,同时允许墙壁中有例如用于窗户或用于悬挂的钉子的不连续)上使用本发明的上述技术,而不限制电荷收集。
[0079] 各区内的选择性电荷收集可大体通过用合适的负电荷阻挡(例如,电子阻挡)和正电荷阻挡(例如,空穴阻挡)的阻挡层涂覆不同导线来提供。所述阻挡层可以是例如诸如PEDOT、多吡咯(PPy)、聚(对亚苯基)(PPP)和聚(苯并咪唑苯并邻二氮杂菲)(BBL)的聚合材料、诸如ZnO和NiO的合适半导体或如上所述的任何其他电荷选择材料。还可用任意上述微结构材料涂覆线,作为晶体涂层或作为聚合物基质中的多晶体的分散,还有其他技术。另外,电路还可包括被构造用于存储所收集能量的至少一部分的各种电子元件(诸如,超电容器)。例如,电极布置的导线可包括其以同轴方式构造从而在外侧传导壳和内侧传导轴段之间提供预定电容的部分。例如,在较少电磁辐射落到表面上的时间间隔期间(经过等),可存储所收集的电能,供进一步使用。
[0080] 根据一些示例,可通过浸涂、溅射、ALD、喷涂、CBD或其他技术用正电荷(例如,空穴)阻挡或电子负电荷(例如,电子)阻挡涂层来涂覆线。例如,可通过将线浸在锌酸盐溶液中、以与锌层交换铝外层,然后在存在氧气的情况下在炉子里将线退火、以创建阻挡空穴传导的ZnO层,来提供具有合适的半导体涂层的铝线的涂层。此ZnO涂层可具有5-5000nm的厚度(优选地,50-1000nm的厚度)。应该注意,此ZnO涂层可提供如上所述的基于ZnO微结构的生长的另外前体。通常,可使用ZnO涂层作为粒子生长的晶种。这些粒子可经受不同材料(例如,CuO)的进一步生长,以提供如上所述的异质结构。这种技术提供了已经连接的微结构,从而通过电极布置提供高度高效的电流收集。
[0081] 类似地,可利用镍涂层或NiO涂层提供具有电子阻挡的铝线的涂层。例如,可通过镍技术在铝线上施涂镍层,然后在存在氧气的情况下将它退火,以形成优选地厚度为5-20nm的NiO电子阻挡层。可施涂另外的涂层,以提供增强的电子阻挡性质。例如,涂覆有NiO的线还可涂覆有厚度是500nm直至50微米(优选地,1微米)的PEDOT层。另外的涂层为NiO提供了摩擦保护。已经保护这个层免于受其他损伤影响。通常,可将任何导电材料用于线,只要电子布置合适即可。它可甚至是涂覆有例如导电物质的塑料线。
[0082] 参照图6,图6示出由被选择性传导涂层44涂覆的金属线42构成的导线32的部分。在选择性传导涂层44上,生长根据本发明的多个微结构10。就这点而言,内部线42可以是铝或任何其他合适的导电材料。该线被涂覆ZnO层44并且使用涂层作为如上所述生长微结构
10的晶种。在这个示例中,微结构具有由ZnO形成的第一区域14和由CuO形成的第二区域16。
还应该注意,内部线42本身可由锌替代铝来形成。这个变形形式简化了涂覆工艺和用于线
42的涂层44的锌酸盐的制作。应该注意,这种材料选择不限于使用Zn和ZnO。通常,线可由任何合适的导电材料形成并且被涂覆电荷选择性传导材料。此外,可通过其中金属元素(或导电形式,例如,合适掺杂)具有电荷选择性传导变形形式(例如,氧化物或任何其他适宜化合物、或本征掺杂)的任何材料来构成线32和34。通常,可将任何导电材料用于线,只要电子布置合适即可。另外,线32和34可由例如涂覆有导电物质的塑料线形成。
[0083] 应该注意,导线总体上被构造成使欧姆损失减至最小。因此,导线优选地由高度导电材料(例如,铝、锌或铜线)制成,并且被构造成宽得足以减小对于电流的电阻。还应该注意,电极布置可通过其所述两组线连接于合适的标准PV设备(诸如,MPPT、AC/DC转换器、逆变器、电池等)。
[0084] 参照图7A至图7B,图7A至图7B示出例示本发明的技术的转换效率的模拟电流密度随电压的变化而变化[J/V]的示图。图7A示出基于从ZnO/CuO结测得的暗电流的J-V(电流密度-电压)模拟曲线和太阳能-电转换效率(η)和0.58的填充因子(FF)。图7B示出可提供增大的效率和填充因子(FF)的ZnO/CuO结的提高的结质量的结果。
[0085] 本发明还提供了用于光伏转换的表面制备的套件。该套件总体上可包括:上述液体混合物,其包括浸没在其中的微结构;电路,其包括上述用于收集所生成电力的电极布置。该套件还可包括:涂料固化单元,其适于在涂料材料施涂到期望表面上之后对其执行固化;以及取向场源,其被构造成生成适于对准如上所述的微结构的期望外部场。
[0086] 固化单元在被使用时可包括:UV光源,其用于向涂刷表面施加适宜参数的UV辐射;和/或电偏置;和/或热源(例如,加热线圈和扇),其被构造用于向涂刷表面提供热能,从而加速其干燥处理。UV光源和/或加热和/或固化试剂可例如用于将液体混合物中的适宜材料聚合化。
[0087] 取向场源/发生器可如上所述是磁场源,被构造成生成具有期望强度/分布和方向的磁场。利用微结构与其相对于涂刷表面的期望取向的对准的目的是,通过布置微结构将光转换增至最大,诸如将微结构的吸收区域取向成从基本上垂直于它的表面延伸。应该注意,优选地,在固化液体混合物之前或者当涂料材料被部分固化时,执行微结构的取向/对准。
[0088] 根据一些实施方式,可通过在设置电极并且将液体混合物施涂到表面上之后,利用电极布置传输适宜电流,部分或全部地执行液体混合物/涂料材料的固化。电流可与电流的优选收集方向反向,从而通过电极布置和涂料材料生成热和电场
[0089] 因此,本发明提供了将能暴露于电磁辐射的任何非传导表面转换成电磁辐射采集表面的新型技术和所需元件。使用具有合适微结构的涂料材料允许进行简单转换处理并且向暴露于辐射的几乎任何表面提供太阳能采集能力。本发明还提供了用于收集所生成电能的有效电路。
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