專利名稱：聚合物太陽(yáng)能電池中提高效率和防止劣化的光子轉(zhuǎn)換材料(pcm)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于將電磁能轉(zhuǎn)化為電能的裝置和方法，并且具體涉及 改進(jìn)的光電電池及方法。
2. 相關(guān)技術(shù)的討論
為了將功率轉(zhuǎn)換電池效率提高到實(shí)際、廣泛且低成本的應(yīng)用變得切 實(shí)可行的水平，對(duì)太陽(yáng)能電池而言重要的是盡可能高效地開(kāi)發(fā)利用全太 陽(yáng)光鐠。這在有機(jī)(小分子和聚合物)太陽(yáng)能電池中甚至更重要，與無(wú) 機(jī)太陽(yáng)能電池相比，在有機(jī)太陽(yáng)能電池中外部量子效率(EQE)隨入射 光波長(zhǎng)的變化更加強(qiáng)烈。在許多有機(jī)光伏系統(tǒng)中，最大的EQE值處于 可見(jiàn)光范圍內(nèi)，而在紫外線(UV)范圍內(nèi)的EQE值較小。因此，常規(guī) 有機(jī)光伏電池沒(méi)有有效地將UV光轉(zhuǎn)換為電能。此外，光伏電池自然暴 露于UV光可導(dǎo)致裝置隨時(shí)間推移而發(fā)生故障和劣化。因此，需要改進(jìn) 的光伏電池。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的光伏裝置具有光伏電池和光子轉(zhuǎn)換元 件。光子轉(zhuǎn)換元件在其組成中具有光子轉(zhuǎn)換材料。在光伏裝置運(yùn)行時(shí)， 光子轉(zhuǎn)換材料將在包括第一波長(zhǎng)的光語(yǔ)區(qū)中的光子轉(zhuǎn)換為在包括第二 波長(zhǎng)的光鐠區(qū)中的光子，第二波長(zhǎng)大于第一波長(zhǎng)。具有第二波長(zhǎng)的光子 具有至少如下特征之一對(duì)光伏電池的損傷比具有第一波長(zhǎng)的光子更小 或者轉(zhuǎn)換成電流的效率比具有第一波長(zhǎng)的光子更高。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的發(fā)電的方法包括將至少一部分具有第 一光鐠范圍內(nèi)波長(zhǎng)的入射光子轉(zhuǎn)換為具有第二光鐠范圍內(nèi)波長(zhǎng)的光子， 其中第二光譜范圍具有比第一光鐠范圍更長(zhǎng)的波長(zhǎng)；和將至少一部分具 有第二光鐠范圍內(nèi)波長(zhǎng)的光子轉(zhuǎn)換為電能。


在以下參考附圖對(duì)本發(fā)明各種實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明中提供本發(fā)明 的其它特征。此外，通過(guò)結(jié)合附圖參考詳細(xì)說(shuō)明，將更好地理解本發(fā)明 的上述和其它附帶優(yōu)點(diǎn)，在附圖中
圖l是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的光伏裝置的示意圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的光伏裝置的示意圖3是根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方案的光伏裝置的示意圖4顯示才艮據(jù)本發(fā)明 一個(gè)實(shí)施方案構(gòu)建的光伏裝置實(shí)例的測(cè)量的外 部量子效率對(duì)波長(zhǎng)的圖5顯示與圖6相比較的測(cè)量的電流對(duì)偏壓的圖，以說(shuō)明本發(fā)明的 一些概念；和
圖6表示與圖5相比較的測(cè)量的電流對(duì)偏壓的圖，以說(shuō)明本發(fā)明的 一些概念。
詳細(xì)說(shuō)明
已經(jīng)進(jìn)行了大量努力以開(kāi)發(fā)用于信息顯示和固態(tài)發(fā)光應(yīng)用的有機(jī)發(fā)光 材料。在這些裝置中使用的許多有機(jī)材料表現(xiàn)出優(yōu)異的UV吸收，將入射 UV輻射轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光發(fā)射時(shí)具有非常高的光致發(fā)光效率。根據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施方案，將"光子轉(zhuǎn)換材料"(PCM)(即，將(有害的)短波長(zhǎng)入射輻 射轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)更長(zhǎng)并且危害較低的輻射的材料)集成到有機(jī)太陽(yáng)能電池 中，以更充分地利用全太陽(yáng)光鐠。例如，PCM可以是將有害的UV轉(zhuǎn)換成 危害較小的藍(lán)、綠、紅或者甚至是紅外(IR)輻射的材料。另外，PCM 還可以將來(lái)自 一部分太陽(yáng)光鐠(不僅僅是UV部分)的光子轉(zhuǎn)換成不同的、 通常為更長(zhǎng)波長(zhǎng)部分的電磁鐠。因此，可以將有機(jī)材料吸收較少的那部分
太陽(yáng)能例如轉(zhuǎn)換為有機(jī)材料或聚合物材料的較高吸收波長(zhǎng)區(qū)域。這種轉(zhuǎn)換 可以對(duì)太陽(yáng)光鐠的小部分選擇性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，或者這種轉(zhuǎn)換可以對(duì)太陽(yáng)光鐠 的連續(xù)部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另外，如果僅僅想保護(hù)太陽(yáng)能電池免受損傷，可以 簡(jiǎn)單地使用吸收太陽(yáng)光譜的一部分或連續(xù)部分且無(wú)需考慮更長(zhǎng)波長(zhǎng)光子
再發(fā)射的再發(fā)射極少的吸收材料。PCM可以是有機(jī)、無(wú)機(jī)和/或納米顆粒， 并且它可以是固體、皿或液體的形式。
光子轉(zhuǎn)換材料(PCM)的使用除了光子轉(zhuǎn)換效率之外還具有其它優(yōu)點(diǎn)。 眾所周知，短波長(zhǎng)光子特別是UV可能對(duì)有機(jī)材料是有害的并且可能^:有 機(jī)太陽(yáng)能電池劣化的主要因素。光子轉(zhuǎn)換材料可以將這種有害的較短波長(zhǎng) 光子轉(zhuǎn)換成較長(zhǎng)波長(zhǎng)光子，既提高了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率又減少了有機(jī)太陽(yáng)能 電池的劣化。光子轉(zhuǎn)換材料可以配置為以下形式，但是并不限于此(a) 在太陽(yáng)能電池前面的附加層，其可以是單獨(dú)的層或者是附著在太陽(yáng)能電池 ^i4l的反面(reverse side)上的層(可以在PCM的前面設(shè)置保護(hù)層)。(b ) 使PCM與透明或半透明的^L形成為一體，以提供對(duì)這些材料以及太陽(yáng) 能電池本身的保護(hù)。(c)"外殼"，在該外殼中插入太陽(yáng)能電池并且填充有 液體、凝膠、溶膠-凝膠、納米顆?；蚬腆w形式的PCM。通過(guò)利用(a)、
(b)或(c)之一的結(jié)構(gòu)將這些材料引入太陽(yáng)能電池中，可以通過(guò)將一些 所不期望的短波長(zhǎng)光轉(zhuǎn)換成較長(zhǎng)波長(zhǎng)且危害較小的光子來(lái)提高裝置性能
(效率或壽命或二者)。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的光伏裝置100的示意圖。光伏裝 置100具有形成在基板104上或者以其它方式附著在基板104上的光伏電 池102。 Jj^具有形成在所述141 104的光入射側(cè)上或者以其它方式附著 在光入射側(cè)上的光子轉(zhuǎn)換元件106。光伏裝置100可以任選地包括在光子 轉(zhuǎn)換元件106的光入射側(cè)上的保護(hù)層108。光伏電池102可以是有機(jī)或無(wú) 機(jī)光伏電池。圖1示出光伏電池102是有機(jī)光伏電池的例子。例如，它可 以是小分子有機(jī)光伏電池和/或聚合物光伏電池。光伏電池102可以構(gòu)建為 具有透明陽(yáng)極、金屬陰極以及在二者之間的活性材料層。該結(jié)構(gòu)也可以更 加復(fù)雜，例如是可以提供更高光子轉(zhuǎn)換效率的堆層結(jié)構(gòu)。活性材料層可以 是活性有機(jī)材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，活性材料層可以是有機(jī)三線態(tài)材料 (organic triplet material)。但是，本發(fā)明的一般概念并不限于光伏電池 102的特定結(jié)構(gòu)和材料。
104可以選自用于構(gòu)造光伏電池的常規(guī)材料， 例如對(duì)于所期望的應(yīng)用在期望的運(yùn)行波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有足夠高的透明度。
光子轉(zhuǎn)換元件106可以形成在或涂覆在M 104的光入射側(cè)上?；蛘?， 光子轉(zhuǎn)換元件106也可以形成在單獨(dú)的膜上并附著在a 104的光入射側(cè) 的前面。光子轉(zhuǎn)換元件106可以在其組成中包含有機(jī)、無(wú)機(jī)、熒光體、有 機(jī)三線態(tài)材料、納米顆粒和/或光帶隙材料。實(shí)施方案中所包括的保護(hù)層 108可以置于光子轉(zhuǎn)換元件106的前面或作為光子轉(zhuǎn)換元件106的一部 分。例如，PCM可以加入到塑料或玻璃中以提供組合的光子轉(zhuǎn)換元件 和保護(hù)層。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的光伏裝置200的示意圖。光伏裝置 200具有形成在J4！ 204上或者以其它方式附著在^L 204上的光伏電池 202。光伏電池202可以選自與上述光伏電池102類似或基^t目同的光伏電 池?；?04中加入有PCM并因此成為光子轉(zhuǎn)換元件。基板204可以包 括玻璃、塑料和/或其它材料。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，可以通過(guò)將光 子轉(zhuǎn)換材料加入到基板中而延長(zhǎng)該光子轉(zhuǎn)換材料的壽命。將PCM加入到 基敗204中的一種方法可以是通過(guò)溶膠-凝膠工藝來(lái)制備J41，在制備的過(guò) 程中加入PCM材料。
圖3是才艮據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的光伏裝置300的示意圖。光伏裝置 300具有形成在M 304上或者以其它方式附著在^！ 304上的光伏電池 302。光伏電池302可以選自與上述光伏電池102和202類似或基;M目同的 光伏電池。光伏電池302/基板304包封在保護(hù)外殼306中。保護(hù)外殼306 也具有包含在其中的PCM以提供光子轉(zhuǎn)換層。外殼306內(nèi)的PCM可以 是液體(例如溶劑或油基)、凝膠、納米顆?；蚬腆w的形式。保護(hù)外殼306 用作容器，以容納裝置的光伏電池302/^1304以及光子轉(zhuǎn)換材料。保護(hù) 外殼306的外側(cè)可以用作免受環(huán)境影響的第一級(jí)保護(hù)。在外殼內(nèi)部可以包 含不活潑氣體例如氬和/或氮，以侯_提供壓力以防止氧和其它有害氣體或濕 氣滲透ii^外殼306而到達(dá)光伏電池302。
實(shí)施例
在一個(gè)具體的實(shí)施例中，我們通過(guò)緩慢生長(zhǎng)方法使用P3HT:PCBM體 系來(lái)說(shuō)明一些概念。在圖4中示出EQE鐠對(duì)波長(zhǎng)的曲線。在UV區(qū)(300~ 400llm)， EQE為 40。/。，而在可見(jiàn)光區(qū)(450-600nm)， EQE超過(guò)600/。。 通過(guò)利用發(fā)射藍(lán)光(峰值在450nm)的藍(lán)色發(fā)光聚合物，該體系提供了本 發(fā)明的一些概念的示例。
圖5和6顯示在太陽(yáng)能電池玻璃基仗的反面上加入藍(lán)色聚藥的影響。 分別在AM 0 (2.1日光)和AM 1.5 (1.3日光)下進(jìn)行測(cè)試。在加入藍(lán) 色聚合物之后，在兩種情況下都觀察到5%的很小的效率下降。雖然由于 UV和可見(jiàn)光區(qū)中的相當(dāng)?shù)牧孔有屎凸獾姆抢硐牍庵掳l(fā)光(PL)效率而 導(dǎo)致效率稍微下降，但是電池的壽命由于減少了 UV光對(duì)聚合物太陽(yáng)能電 池的損傷而增加。
已經(jīng)相對(duì)于各種實(shí)施方案詳細(xì)描述了本發(fā)明，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言， 顯而易見(jiàn)的是可以在不脫離本發(fā)明的廣義范圍的情況下進(jìn)行變化和修改， 因此由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明旨在覆蓋落入本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)的 所有此類變化和修改。
權(quán)利要求
1. 一種光伏裝置，包括:光伏電池，和光子轉(zhuǎn)換元件，所述光子轉(zhuǎn)換元件以緊鄰所述光伏電池的方式和與所述光伏電池成為一體的方式中的至少一種方式來(lái)設(shè)置，所述光子轉(zhuǎn)換元件包含光子轉(zhuǎn)換材料，其中在所述光伏裝置運(yùn)行時(shí)，所述光子轉(zhuǎn)換材料將在包括第一波長(zhǎng)的光譜區(qū)中的光子轉(zhuǎn)換為在包括第二波長(zhǎng)的光譜區(qū)中的光子，所述第二波長(zhǎng)大于所述第一波長(zhǎng)，其中具有所述第二波長(zhǎng)的光子具有至少如下特征之一:對(duì)所述光伏電池的損傷比具有所述第一波長(zhǎng)的光子更小或者轉(zhuǎn)換成電流的效率比具有所述第一波長(zhǎng)的光子更高。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的光伏裝置，還包括基板，在所述基板上形成有所 述光伏電池，其中所述光子轉(zhuǎn)換元件形成在所述基板的光入射側(cè)上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的光伏裝置，還包括形成在所述光子轉(zhuǎn)換材料的光 入射側(cè)上的保護(hù)層，所述保護(hù)層適合于阻擋至少一部分具有對(duì)所述光伏 電池、所述基板和所述光子轉(zhuǎn)換元件中的至少其一有害的波長(zhǎng)的入射光 子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的光伏裝置，其中所述保護(hù)層是光吸收層和構(gòu)造成 反射回至少一些有害光的反射涂層中的至少其一。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3的光伏裝置，其中所述保護(hù)層是構(gòu)造為反射在所述 第一光鐠范圍中的至少一部分光子的反射層，并用作在所述第二光譜范 圍中的光子的抗反射層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3的光伏裝置，其中所述保護(hù)層是構(gòu)造為反射在所述 第一光鐠范圍中至少一部分光子的反射層，并且所述保護(hù)層構(gòu)造為在所 述光伏電池內(nèi)為在所述第二光i普范圍中的光子提供多重內(nèi)反射，以使所 述光伏電池能夠通過(guò)所述光伏電池內(nèi)的多重內(nèi)反射來(lái)更好吸收長(zhǎng)波長(zhǎng) 光子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的光伏裝置，還包括基板，在所述基板上形成有所 述光伏電池，所述基板在其組成中包含所述光子轉(zhuǎn)換材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的光伏裝置，其中所述基板設(shè)置在所述光伏電池的 光入射側(cè)上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的光伏裝置，還包括保護(hù)外殼，所述光伏電池和所 述光子轉(zhuǎn)換元件包封在所述保護(hù)外殼中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的光伏裝置，其中所述外殼是包括兩個(gè)玻璃板的玻 璃外殼，其中所述光伏電池和所述光子轉(zhuǎn)換元件夾在所述兩個(gè)玻璃板之 間，并且其中所述光伏裝置適合于安裝在建筑物上作為窗口來(lái)發(fā)電。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的光伏裝置，其中在所述兩個(gè)玻璃板之間產(chǎn)生真空 以進(jìn)一步保護(hù)所述光伏電池。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9的光伏裝置，還包括包封在所述保護(hù)外殼中的不活 潑氣體。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l的光伏裝置，其中所述光子轉(zhuǎn)換材料選自有機(jī)光子 轉(zhuǎn)換材料、無(wú)機(jī)光子轉(zhuǎn)換材料、磷光體、有機(jī)三線態(tài)化合物、納米顆粒 和光帶隙材料中的至少其一。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l的光伏裝置，其中所述光子轉(zhuǎn)換材料具有液體、凝 膠、溶膠-凝膠、納米顆?；蚬腆w中的至少其一的形式。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l的光伏裝置，其中所述光伏電池為有機(jī)光伏電池。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的光伏裝置，其中所述有機(jī)光伏電池為小分子有機(jī) 光伏電池。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的光伏裝置，其中所述有機(jī)光伏電池為低聚物光伏 電池。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15的光伏裝置，其中所述有極光伏電池為聚合物光伏 電池。
19. 根據(jù)權(quán)利要求l的光伏裝置，其中所述光伏電池為無(wú)機(jī)光伏電池。
20. —種發(fā)電的方法，包括將至少一部分具有第一光鐠范圍內(nèi)波長(zhǎng)的入射光子轉(zhuǎn)換為具有第二 光鐠范圍內(nèi)波長(zhǎng)的光子，其中所述第二光鐠范圍具有比所述第 一光鐠范 圍更長(zhǎng)的波長(zhǎng)；和將至少 一部分所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的光子轉(zhuǎn)換為電能。
全文摘要
一種光伏裝置，具有光伏電池和光子轉(zhuǎn)換元件。光子轉(zhuǎn)換元件在其組成中包含光子轉(zhuǎn)換材料。在光伏裝置運(yùn)行時(shí)，光子轉(zhuǎn)換材料將在包括第一波長(zhǎng)的光譜區(qū)中的光子轉(zhuǎn)換為在包括第二波長(zhǎng)的光譜區(qū)中的光子，第二波長(zhǎng)大于第一波長(zhǎng)。具有第二波長(zhǎng)的光子具有至少如下特征之一對(duì)光伏電池的損傷比具有第一波長(zhǎng)的光子更小或者轉(zhuǎn)換成電流的效率比具有第一波長(zhǎng)的光子更高。
文檔編號(hào)G01P3/483GK101384908SQ200780005695
公開(kāi)日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者剛 李, 陽(yáng) 楊 申請(qǐng)人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)