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具有納米結(jié)構(gòu)層的光伏裝置的制作方法

文檔序號:3805312閱讀:401來源:國知局
專利名稱:具有納米結(jié)構(gòu)層的光伏裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
總體來說,本發(fā)明涉及光生伏特(photovoltaics )或太陽能電池(solar cell) 的領(lǐng)域。本發(fā)明更特別涉及具有納米結(jié)構(gòu)層(nanostructured layers)的光伏裝置。
背景技術(shù)
油價上漲提高了發(fā)展成本合算的可再生能量的重要性。全世界都在努力 發(fā)展成本合算的太陽能電池以收獲太陽能。目前的太陽能技術(shù)可以廣泛地分 類成晶態(tài)硅和薄膜技術(shù)。超過90%的太陽能電池由硅制成——單晶硅、多晶 硅或非晶硅。
歷史上使用晶態(tài)硅(c-Si)作為多數(shù)太陽能電池中的吸光半導(dǎo)體,雖然 它是相對差的吸光材料并要求相當(dāng)?shù)牟牧虾穸?幾百微米)。但是,其被證 明是方便的,這是由于其產(chǎn)生具有良好效率(12-20%,理論最大值的一半到 三分之二)的穩(wěn)定的太陽能電池,并使用根據(jù)微電子工業(yè)的知識開發(fā)的加工 技術(shù)。
工業(yè)中使用兩種類型的晶態(tài)硅。第一種是單晶硅,通過將高純度單晶錠 (boule)切割成晶片(wafer)(大約150 mm直徑和"0微米厚)來生產(chǎn)。第 二種是多晶硅,通過將硅的鑄塊(castblock)首先鋸成桿(bar)然后鋸成 晶片來制造。晶態(tài)硅電池制造的主要趨勢是向著多晶技術(shù)。
對于單晶和多晶Si來說,半導(dǎo)體p-n結(jié)都是通過將磷(n型摻雜物)擴 散到硼摻雜的(p型)Si晶片的頂面中而形成的。網(wǎng)版印刷觸點(screen-printed contact)被施加到電池的正面和背面,正面觸點圖案被特別設(shè)計以允許電池 中的最小電(電阻)損耗和Si材料的最大曝光量。
硅太陽能電池是非常昂貴的。其制造是成熟的而不會有顯著的成本降 低。硅不是用在太陽能電池中的理想材料,這是由于其主要在如圖l所示的 太陽光譜的可見區(qū)中吸收。顯著量的太陽輻射包括如圖2所示的IR (紅外) 光子。這些IR光子不被硅太陽能電池收獲,從而限制其轉(zhuǎn)換效率。第二代太陽能電池技術(shù)是基于薄膜。兩種主要的薄膜技術(shù)是如圖3所示
的非晶硅和二硒化銅銦鎵(CIGS)。
非晶硅(a-Si)被看作1980年代"僅有的"薄膜PV材料。但在其末期 及1990年代初期,由于非晶硅(a-Si)的低效率和不穩(wěn)定性,其被4艮多觀察 者所拋棄。然而,非晶硅技術(shù)對于開發(fā)非常高級的解決多結(jié)結(jié)構(gòu) (multijunction configuration)問題的方案具有重大進步?,F(xiàn)在商業(yè)應(yīng)用的多 結(jié)a-Si模塊可以在7% - 9%效率范圍內(nèi)。United Solar and Kaneka已經(jīng)建造 了 25MW的設(shè)施,有幾個公司已經(jīng)宣布在日本和德國建立制造工廠的計劃。
a-Si技術(shù)的關(guān)鍵障礙是低效率(穩(wěn)定為約10%)、光致效率降低(這要 求更復(fù)雜的電池設(shè)計諸如復(fù)結(jié)(multiple junction))和加工成本(制造方法 基于真空且相當(dāng)緩慢)。所有這些問題都對制造成本合算的a-Si模塊的前景 是重要的。
非晶硅太陽能電池還具有差的IR吸收且不能從太陽光譜的IR光子收獲 能量。微晶硅將吸收延伸到較長的波長但在IR區(qū)中吸收仍是差的。各種反 射器設(shè)計被用來增大非晶硅太陽能電池中的IR收獲。這些反射器由于不能 將非晶硅的ir吸收延伸到超過1000 nm而顯著增加了成本卻僅提供有限的 益處。如果可以開發(fā)出可以成本合算地與非晶和微晶硅太陽能電池集成的IR 吸收層,則可以實現(xiàn)顯著的效率改善。
由二硒化銅銦鎵(CIGS )吸收器制成的薄膜太陽能電池有望實現(xiàn)10-12% 的高轉(zhuǎn)換效率。CIGS太陽能電池的創(chuàng)紀(jì)錄的(record)高效率(19.2% NREL ) 與由諸如碲化鎘(CdTe)或非晶硅(a-Si)的其他薄膜技術(shù)得到的相比是迄 今最高的。
這些破紀(jì)錄的小面積裝置已經(jīng)使用真空蒸發(fā)技術(shù)來制備,真空蒸發(fā)技術(shù) 是資本密集且非常昂貴的。在大面積襯底上制備成分均勻的CIGS膜是非常 有挑戰(zhàn)性的。該限制也影響加工產(chǎn)量,通常產(chǎn)量4艮低。由于這些限制,生產(chǎn) 技術(shù)的實施對于薄膜太陽能電池和模塊的大規(guī)模、低成本的商業(yè)生產(chǎn)來說還 未成功并且對于現(xiàn)今的晶態(tài)硅太陽能模塊是不具竟?fàn)幜Φ摹?br> 為了克服使用昂貴的真空設(shè)備的物理氣相沉積技術(shù)的限制,多個公司已 經(jīng)在對CIGS太陽能電池的制造開發(fā)高產(chǎn)量的真空工藝(例如DayStar、 Global Solar)和非真空工藝(例如ISET、 Nanosolar)。使用油墨技術(shù)(ink technology),可以在相對低的資本設(shè)備成本下實現(xiàn)非常高活性材料的利用。其組合效應(yīng)是薄膜太陽能裝置的低成本制造工藝。可以在柔性襯底上制造
CIGS,使得可能減小太陽能電池的重量。期望CIGS太陽能電池的成本低于 晶態(tài)硅而使其即使在較低效率時也具有竟?fàn)幜?。CIGS太陽能電池的兩個主 要問題是(1)還沒有獲得更高效率的明確途徑以及(2)高的加工溫度使 得難于使用高速軋輥(roll)來軋輥加工并因此不能獲得可以由非晶硅太陽 能電池獲得的顯著較低成本的結(jié)構(gòu)。
CIGS太陽能電池也具有差的IR吸收且不從太陽光譜的IR光子吸收或 收獲能量。如果可以開發(fā)出可以成本合算地與CIGS太陽能電池集成的IR 吸收層,則可以實現(xiàn)效率的改善。
目前可用的技術(shù)具有明顯的問題。例如,現(xiàn)在具有大于90。/。市場份額的 晶態(tài)硅太陽能電池非常昂貴。與化石燃料的小于10美分每kwh相比,c-硅 太陽能電池的太陽能花費大約25美分每kwh。另外,安裝太陽能面板的資 本成本極高,從而限制其使用率。晶態(tài)太陽能電池技術(shù)是成熟的,并且不太 可能在不久的將來改善性能和成本竟?fàn)幜?。非晶硅薄膜技術(shù)可以大量制造而 產(chǎn)生低成本的太陽能電池。然而,非晶和微晶硅太陽能電池僅在可見區(qū)吸收 且不收獲IR區(qū)中的任何光子。
在現(xiàn)有技術(shù)中存在將此種IR吸收薄膜層與硅層組合以增加太陽能轉(zhuǎn)換 效率的大量實例。在文獻中使用的IR吸收薄膜層是通過昂貴的真空沉積工 藝沉積的。文獻中的實例包括多結(jié)電池和串聯(lián)(tandem )電池。文獻中的實 例包括(1 )由兩個單獨的電池制成的四端子裝置以及(2 )結(jié)合隧道結(jié)(tunnel junction)制成的兩端子裝置。文獻中已知的所有這些實例對生產(chǎn)來說都是非 常昂貴的,從而限制了其商業(yè)應(yīng)用。
國家可再生能量實-瞼室(National Renewable Energy Lab, NREL )于2001 年啟動了高效率串聯(lián)太陽能電池項目,其主要目的是獲得高效率。大量的半 導(dǎo)體材料諸如SiGe、 PbSe、 PbS和III-V材料在IR區(qū)吸收并可以用于收獲 IR光子。NREL的研究者已經(jīng)證實寬帶多結(jié)太陽能電池可以通過將在不同波 長范圍吸收的電池堆疊來制備。串聯(lián)太陽能電池在單個電池中將具有不同帶 隙的多種材料串聯(lián)使用。盡管建立串聯(lián)太陽能電池已經(jīng)取得顯著的進步,但 仍有諸多限制。這些串聯(lián)電池不太可能實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的成本竟?fàn)幜Α_@些多 結(jié)串聯(lián)電池設(shè)計異常復(fù)雜(由于電流平衡的要求)且趨于非常昂貴。因此這 些串聯(lián)電池僅限于用于成本不是關(guān)鍵驅(qū)動因素的國防、空間和陸地(terrestrial)應(yīng)用。然而,此種設(shè)計不太可能變得足夠經(jīng)濟以用于商業(yè)太陽 能電池應(yīng)用。
下一代太陽能電池要求在輕重量和低成本的同時真正實現(xiàn)高效率。兩種 潛在的候選物是(1)聚合物太陽能電池和(2)納米顆粒太陽能電池。聚合 物太陽能電池具有低成本的潛力是由于在適當(dāng)溫度(小于150°C )的軋輥到 軋輥的加工(roll to roll processing)。然而,聚合物有兩個主要缺點(1 ) 由慢的電荷輸運導(dǎo)致的差的效率以及(2)差的穩(wěn)定性一一特別是對UV (紫 外光)。因此聚合物太陽能電池不太可能實現(xiàn)所需性能以成為下一代太陽能 電池。
幾個研究組已經(jīng)在進行基于量子點的太陽能電池的實驗研究。迄今報導(dǎo) 的最好效率是小于5%。這些納米顆粒太陽能電池的低效率的主要原因是電 荷復(fù)合(charge recombination),這是由于(1 )納米顆粒的表面電荷和(2) 聚合物主體(host)中的差的電荷輸運。需要開發(fā)新的合成方法來制備沒有 表面電荷效應(yīng)的量子點。為了減小聚合物主體對電荷輸運的影響,提出了具 有大縱橫比(aspectratio)的量子棒。加州大學(xué)伯克利分校的研究者指出, 使用縱橫比大于10:1的量子棒可以獲得較好的效率。
多倫多大學(xué)和布法羅大學(xué)(University of Buffalo )已經(jīng)報導(dǎo)了 IR吸收納 米顆粒。多倫多大學(xué)的TedSargent的團隊基于溶液加工,通過將直徑為4 納米(nm)的硫化鉛半導(dǎo)體納米晶懸浮于半導(dǎo)體塑料中制造了紅外光生伏特 (Nature Materials 2005, 4, 138-142 ) 。 4 nm的PbS球比激發(fā)的電子軌道的半 徑小。這個稱作量子限域(quantum confinement)的效應(yīng)是指量子點開始吸 收能量的光波長與晶體的尺寸直接相關(guān)。這意味著通過改變納米晶的尺寸, 可以把塑料太陽能電池調(diào)整到任何所需波長,從IR到可見光i普。通過控制 納米晶的尺寸,太陽能電池可以調(diào)整為在980、 1200和1355 nm波長吸收IR 光并將其轉(zhuǎn)換成電流。IR光生伏特具有更大的潛力,這是由于太陽光中一半 的能量發(fā)生在IR中,在波長為700 nm到2微米的范圍。Sargent的第 一個 IR系統(tǒng)具有0.001 %的深度探測(abysmal-sounding)功率轉(zhuǎn)換效率。
布法羅大學(xué)(UB )的Paras Prasad團隊開發(fā)出了包括磷化銦(InP )納 米晶的有效IR吸收量子點光生伏特。InP量子點展示了與其他量子點可比的 發(fā)光效率,但其也發(fā)射光譜紅區(qū)中的較長波長的光。由于紅光發(fā)射意味著這 些量子點能夠收獲IR區(qū)中的光子,因此這是一個關(guān)鍵的優(yōu)勢。包括硒化鎘的量子點主要在下(lower)可見波長范圍發(fā)光。硅太陽能電池主要在綠區(qū)起 作用,因此僅捕獲少許的可用光能。相反,硒化鉛量子點可以在紅外區(qū)吸收, 以允許開發(fā)出可以將比目前的硅太陽能電池多很多倍的光有效地轉(zhuǎn)換成可 用能量的光伏電池。UB組證實了對于InP量子點的3%量子效率。他們的工 作描述在于2005年八月11日在線發(fā)表在Applied Physics Letters中的論文
"Efficient photoconductive devices at infrared wavelengths using quantum dot-polymer nanocomposites" 中。
因此,仍有許多挑戰(zhàn),并且有進一步開發(fā)的顯著需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例總體涉及光生伏特或太陽能電池的領(lǐng)域。本發(fā)明更特別 提供具有IR和/或UV吸收納米結(jié)構(gòu)層的光伏裝置。
在一個方面,本發(fā)明的實施例提供光伏裝置,包括第一光活層,包括 表現(xiàn)出基本在太陽光譜的可見區(qū)中吸收輻射的半導(dǎo)體材料;以及第二光活 層,包括表現(xiàn)出基本在太陽光i普的IR區(qū)中吸收輻射的納米結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合 層設(shè)置在第一和第二層之間,并構(gòu)造成促進第一和第二層之間的電荷輸運。
在另一方面,本發(fā)明提供光伏裝置,包括第一光活層;頂光活層,設(shè) 置在第一層之上,所述頂光活層包括表現(xiàn)出比第一層的帶隙大的帶隙的材 料;以及底光活層,設(shè)置在第一層之下,所述底光活層包括表現(xiàn)出比第一層 的帶隙小的帶隙的材料。在一些實施例中,頂光活層表現(xiàn)出2ev和更大的帶 隙,以及底光活層表現(xiàn)出1.2ev和更小的帶隙。
在又一方面,本發(fā)明的實施例提供光伏裝置,包括第一光活層,包括 表現(xiàn)出基本在太陽光i普的可見區(qū)中吸收輻射的半導(dǎo)體材料;以及頂光活層, 包括表現(xiàn)出基本在太陽光譜的UV區(qū)中吸收輻射的一種或多種納米顆粒。復(fù) 合層設(shè)置在第一層和頂層之間,并構(gòu)造成促進第一層和頂層之間的電荷輸 運。
在進一方面,本發(fā)明的實施例提供光伏裝置,包括第一光活層,包括 表現(xiàn)出基本在太陽光譜的可見區(qū)中吸收輻射的半導(dǎo)體材料;以及形成在第一 層之上的頂光活層,包括表現(xiàn)出基本在太陽光鐠的UV區(qū)中吸收輻射的納米 結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合層設(shè)置在第一層和頂層之間,并構(gòu)造成促進第一層和頂層之 間的電荷輸運。底光活層形成在第一光活層之下,包括表現(xiàn)出基本在太陽光譜的IR區(qū)中吸收輻射的納米結(jié)構(gòu)材料。第二復(fù)合層設(shè)置在第一層和底層之
間,并構(gòu)造成促進第一層和底層之間的電荷輸運。
納米結(jié)構(gòu)材料是包括納米尺寸的材料或顆粒的任何合適的材料。這些納
米尺寸的材料或顆??梢苑稚⒃诹硪徊牧现T如前驅(qū)體(precursor)或載體 (carrier)化合物中。例如,在一些實施例中,納米結(jié)構(gòu)材料是包括空穴導(dǎo) 電或電子導(dǎo)電聚合物及分散在其中的補充(complimentary)納米顆粒的納米 復(fù)合材料。納米復(fù)合材料可以包括分散在聚合物中的一種或多種納米顆粒。 在其他實施例中,納米結(jié)構(gòu)材料包括半導(dǎo)體點、棒或多腳(muMpod)中任 一個或多個。多腳可以包括雙和三棒結(jié)構(gòu),或者其他2和3維結(jié)構(gòu)。合適的 納米顆粒材料的實例包括但不限于PbSe、 PbS、 CdHgTe、 Si或SiGe中任一 個或多個。特別有利的是,納米顆粒的尺寸和/或組成可以選為提供輻射吸收 的范圍,從而提高裝置的吸收效率。
在其他實施例中,納米結(jié)構(gòu)材料包括光^:納米顆粒和導(dǎo)電納米顆粒的混 合物。光敏和導(dǎo)電納米顆粒之一可以被功能化,或者可以該兩者都被功能化。 導(dǎo)電納米顆粒的實例包括但不限于單壁碳納米管(SWCNT)、 Ti02納米管或 ZnO納米線中任一個或多個。光^:納米顆粒的實例包括但不限于CdSe、 ZnSe、 PbSe、 InP、 Si、 Ge、 SiGe或III-V族材料中任一個或多個。
在一些實施例中,復(fù)合層可以包括有包括傳導(dǎo)與納米結(jié)構(gòu)材料相反電荷 的材料的摻雜層。因此在一些實施例中,復(fù)合層會包括與納米結(jié)構(gòu)材料中的 導(dǎo)電聚合物電荷相反的摻雜層??蛇x地,復(fù)合層是包括傳導(dǎo)與納米結(jié)構(gòu)材料 中的納米顆粒相反電荷的材料的摻雜層。復(fù)合層可以進一步包括耦合到摻雜 層的金屬層和/或絕緣層。
第一光活層可以包括非晶硅、單晶硅、多晶硅、微晶硅、納晶硅、CdTe、 二硒化銅銦鎵(CIGS)或m-v族半導(dǎo)體材料中任一個。在另一實施例中, 第一光活層包括空穴導(dǎo)電或電子導(dǎo)電的有機材料。例如,第一光活層可以包 括P-I-N半導(dǎo)體或P-N半導(dǎo)體。在可選實施例中,第一光活層包括P3HT、 P30T、 MEH-PPV、 PCBM、 CuPe、 PCTBI或C60中任一個或多個。
在一個示范性實施例中,第二層包括納米結(jié)構(gòu)材料,該納米結(jié)構(gòu)材料包 括分散在空穴導(dǎo)電聚合物中的一種或多種無機納米顆粒,并且復(fù)合層包括 N+摻雜層;和耦合到所述N+摻雜層的金屬層。


本發(fā)明的前述和其他方面在考慮以下結(jié)合附圖的詳細描述時會是明顯
的,在所有附圖中類似的附圖標(biāo)記表示類似的部分,并且附圖中
圖1示出已知的非晶硅吸收光譜;
圖2示出已知的微晶硅吸收光譜;
圖3示出常規(guī)的非晶硅太陽能電池設(shè)計;
圖4是核-殼量子點(實例PbSe、 PbS和InP )的示意圖5示出根據(jù)本發(fā)明實施例的在不同色彩吸收和發(fā)射的不同尺寸的量子 點(QD);
圖6示出覆蓋有諸如三正辛基氧化膦(TOPO, tr-n-octyl phosphine oxide ) 的溶劑的納米顆粒;
圖7示出根據(jù)本發(fā)明實施例制備的功能化納米顆粒;
圖8是示出IR吸收或收獲納米顆粒層與非晶或^:晶硅層集成的本發(fā)明 的光伏裝置的 一個實施例的示意圖9是示出本發(fā)明的復(fù)合層的一個實施例的示意圖IO示出IR收獲納米顆粒層與多晶或單晶硅層集成的本發(fā)明的光伏裝 置的另一實施例的示意圖11示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有IR收獲納米顆粒層與CdTe層集成 的光伏裝置;
圖12示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有IR收獲納米顆粒層與CIGS層集成 的光伏裝置;
圖13示出UV吸收或收獲納米顆粒層與非晶或微晶硅層集成的本發(fā)明 的光伏裝置的 一個實施例的示意圖14是示出UV收獲納米顆粒層與多晶或單晶硅層集成的本發(fā)明的光 伏裝置的 一個實施例的示意圖15示出具有UV收獲納米顆粒層與CdTe層集成的本發(fā)明的光伏裝置
的一個實施例的示意圖16示出具有UV收獲納米顆粒層與CIGS層集成的本發(fā)明的光伏裝置
的一個實施例的示意圖17示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有UV和IR吸收或收獲納米顆粒層與 非晶或微晶硅層集成的光伏裝置;圖18示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有UV和IR收獲納米顆粒層與多晶或 單晶硅層集成的光伏裝置;
圖19示出根據(jù)本發(fā)明實施例的與CdTe層集成的UV和IR收獲納米顆 粒層;
圖20示出根據(jù)本發(fā)明實施例的與CIGS層集成的UV和IR收獲納米顆 粒層;
圖2i示出具有與m-v半導(dǎo)體層集成的uv收獲納米顆粒層的本發(fā)明的
光伏裝置的另一實施例;
圖22示出根據(jù)本發(fā)明實施例的與IR收獲納米顆粒集成的四結(jié)晶態(tài)硅太 陽能電池;
圖23示出根據(jù)本發(fā)明實施例的與UV收獲納米顆粒集成的四結(jié)晶態(tài)硅 太陽能電池;
圖24示出根據(jù)本發(fā)明實施例的與IR收獲納米顆粒集成的四結(jié)薄膜太陽 能電池;
圖25示出根據(jù)本發(fā)明實施例的與UV收獲納米顆粒集成的四結(jié)薄膜太 陽能電池;
圖26示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有分散在聚合物前驅(qū)體中的光敏納米 顆粒光收獲層的納米復(fù)合材料光伏裝置的示意圖27示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有分散在聚合物和聚合物前驅(qū)體的混 合物中的光敏納米顆粒光收獲層的納米復(fù)合材料光伏裝置的示意圖28示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有分散在聚合物前驅(qū)體中的光敏納米 顆粒敏化(sensitize)碳納米管(SWCNT)的光收獲層的納米復(fù)合材料光伏 裝置的示意圖29示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有分散在聚合物和聚合物前驅(qū)體的混 合物中的光敏納米顆粒敏化碳納米管(SWCNT)的光收獲層的納米復(fù)合材 料光伏裝置;
圖30示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有分散在聚合物和聚合物前驅(qū)體的混 合物中的光^:納米顆粒和諸如SWCNT的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)的光收獲層的納米復(fù) 合材料光伏裝置;
圖31示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有分散在聚合物和聚合物前驅(qū)體的混 合物中的光敏納米顆粒和諸如SWCNT的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)的光收獲層的納米復(fù)合材料光伏裝置;以及
圖32是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有包含可聚合前驅(qū)體的光收獲層的 光伏裝置的制備方法的工藝流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例總體來說涉及光伏或太陽能電池的領(lǐng)域。本發(fā)明更特別 提供了具有IR和/或UV吸收納米結(jié)構(gòu)層的光伏裝置。術(shù)語光伏裝置和太陽 能電池在整個描述中是可互換使用的。
本發(fā)明進一步涉及通過集成IR光子吸收或收獲和/或UV光子吸收或收 獲納米結(jié)構(gòu)材料來成本合算地增大太陽能電池的效率。在一些實施例中,納 米結(jié)構(gòu)材料與其吸收主要在可見區(qū)中的晶態(tài)硅(單晶或多晶)太陽能電池和 薄膜(非晶硅、微晶硅、CdTe、 CIGS和in-V材料)太陽能電池中的一個或 多個集成。在一些實施例中,納米結(jié)構(gòu)材料包括一種或多種與第一層材料集 成的納米顆粒,第一層材料表現(xiàn)出基本在可見光譜中的輻射吸收。在一些實 施例中,納米顆粒層包括各種尺寸的量子點、棒和多腳。在一個實施例中, 如圖5所示,納米顆粒的尺寸在大約2 nm到10 nm范圍內(nèi),更典型的是在 大約2nm到6nm范圍內(nèi)。小的納米顆粒在光譜的藍端吸收而大尺寸的納米 顆粒在光譜的紅端吸收。
納米顆粒層優(yōu)選包括各種發(fā)光材料。適合的材料的實例包括但不限于, CdSe、 PbSe、 ZnSe、 CdS、 PbS、 Si、 Ge、 SiGe、 InP或III-V半導(dǎo)體。PbS、 PbSe和SiGe是IR吸收納米顆粒的實例。ZnSe是UV吸收納米顆粒的實例。 各種化學(xué)和顆粒尺寸的IR吸收和UV吸收納米顆??梢愿鶕?jù)現(xiàn)有技術(shù)已知 的方法來制備。
在可選實施例中,納米結(jié)構(gòu)層包括通過將納米顆粒分散到導(dǎo)電聚合物基 體中而獲得的聚合物復(fù)合材料。在一些實施例中,納米顆粒具有圖4所示的 核-殼結(jié)構(gòu)。在此情況中,核-殼的核10可以包括半導(dǎo)體材料,諸如III-V、 II-IV半導(dǎo)體等。殼20可以包括另一種半導(dǎo)體材料或溶劑,例如如圖6所示 的TOPO。在一些實施例中,納米顆粒被功能化,諸如用有機基團以便于其 在導(dǎo)電聚合物基體中的分散。圖7示出示范性實施例,其中納米顆粒(這里 也稱作量子點"QD")包括IV、 II-IV、 m-v、 II-VI、 IV-VI族材并+??蛇x地, 納米顆粒30包括CdSe、 PbSe、 ZnSe、 CdS、 PbS、 Si、 SiGe或Ge中的任一個或多個。在一些實例中,納米顆粒用功能基團40諸如羧基(carboxylic) (-COOH)、氨基(amine) (-NH2)、膦酸基(phosfonate) (-P04 )、磺酸基 (sulfonate) (-HS03 )、氨基乙硫醇基(aminoethanethiol)等功能化。
纟內(nèi)米顆4立層可以通過已知的溶液加工方法i者如》走-凃(spin coating )、浸 涂(dip coating )、噴墨印刷(ink-jet printing)等來沉積。如果適用,納米顆 粒也可以通過真空沉積技術(shù)來沉積。厚度、顆粒尺寸、發(fā)光材料類型、聚合 物材料(如果使用)類型和聚合物復(fù)合材料(如果使用聚合物復(fù)合材料)中 納米顆粒的填充量(loading level)可以調(diào)節(jié)以最大化IR吸收納米顆粒在IR 區(qū)中和UV吸收納米顆粒在UV區(qū)中的吸收。
在其他實施例中,納米結(jié)構(gòu)材料包括光敏納米顆粒和導(dǎo)電納米顆粒的混 合物。光敏和導(dǎo)電納米顆粒之一可以功能化,也可以這兩者都功能化。導(dǎo)電 納米顆粒的實例包括但不限于,單壁碳納米管(SWCNT)、 Ti02納米管或 ZnO納米線中任一個或多個。光敏納米顆粒的實例包括但不限于,CdSe、 ZnSe、 PbSe、 InP、 Si、 Ge、 SiGe或III-V族材料中任一個或多個。
另一方面,本發(fā)明涉及光伏裝置構(gòu)造(architecture)的開發(fā),該構(gòu)造促 進基于納米顆粒的有效的光伏裝置。在一些實施例中,光敏納米顆粒(量子 點、棒、雙腳(bipod)、三腳(tripod)、多腳、線等)分散在高遷移率導(dǎo)電 聚合物的前驅(qū)體中以形成輻射或光收獲薄膜層,該薄膜層層合在兩個導(dǎo)電電 極之間,這兩個電極中至少一個是透明的。前驅(qū)體優(yōu)選為低分子量,從而其 能夠在去除溶劑后形成前驅(qū)體/納米顆粒薄膜時共形地(conformally )覆蓋納 米顆粒。也可以由此方式功能化納米顆粒,從而便于用前驅(qū)體共形覆蓋納米 顆粒。隨后通過熱方法或使用UV輻射使前驅(qū)體聚合,從而獲得其中的光敏 納米顆粒完全密封(encapsulate)在高遷移率導(dǎo)電聚合物中的薄膜并且便于 當(dāng)納米顆粒曝光時產(chǎn)生的空穴和電子的快速的電荷輸運。
光敏納米顆粒可以由當(dāng)曝光時產(chǎn)生電子空穴對的其他光敏材料制成。納 米顆??梢杂晌k(CdSe )、硒化鋅(ZnSe )、硒化鉛(PbSe )、磷化銦(InP )、 硫化鉛(PbS)、硅(Si)、鍺(Ge)、硅鍺(SiGe)、 III-V材料等制成。
納米顆??梢杂糜袡C或無機功能基團來功能化。在這種實施例中,附于 納米顆粒表面的功能基團包括但不限于-COOH (羧基(carboxylic))、 -P04 (膦酸基(phosfonate) )、 -S03H (磺酸基(sulfonate))和-腿2 (氨基(amine )) 中的一個或多個。高遷移率導(dǎo)電聚合物的實例包括但不限于并五苯(pentacene)、 P3HT、 PEDOT等。這些聚合物的前驅(qū)體可以包括一種或多種熱聚合功能基團。環(huán) 氧基(epoxy)是一種合適的熱聚合功能基團的實例??商娲兀膀?qū)體可 以包括一種或多種UV聚合功能基團。丙烯酸(acrylic)功能基團是一種合 適的UV聚合功能基團的實例。
在一些實施例中,第二導(dǎo)電聚合物材料與高遷移率聚合物前驅(qū)體和光敏 納米顆粒結(jié)合以輔助前驅(qū)體聚合之前的初始成膜。PVK是一種合適的二次 (secondary)聚合材料的實例。只要在聚合之后不發(fā)生相分離,則優(yōu)選前驅(qū) 體和二次聚合物按前驅(qū)體對二次聚合物的最大比率混合。在一個實施例中, 并五苯是期望使PVK膜塑化(plasticize)的前驅(qū)體,以允許光敏納米顆粒在 膜中的均勻分散,也允許用前驅(qū)體共形地覆蓋納米顆粒。
在一些實施例中,納米結(jié)構(gòu)材料層包括光敏和導(dǎo)電納米顆粒的混合物。 導(dǎo)電納米顆粒諸如碳納米管、Ti02納米管、ZnO納米線可以與前驅(qū)體和光壽丈 納米顆粒(可選與第二導(dǎo)電聚合物)混合以進一步增進當(dāng)納米顆粒曝光時由 其產(chǎn)生的電子和空穴的電荷分離。
在其他實施例中,光敏納米顆粒是離散的顆粒,或者可選為其附于諸如 碳納米管(SWCNT)、 Ti02納米管或ZnO納米線的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)。
納米結(jié)構(gòu),從而在碳納米管上形成這些納米顆粒的單層。導(dǎo)電碳納米管通過 現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法制備。在一些實施例中,碳納米管優(yōu)選包括單壁碳納 米管(SWCNT)。可以功能化碳納米管以便于其在適當(dāng)溶劑中的分散。功能 化的納米顆粒在碳納米管上與適當(dāng)?shù)墓δ芑鶊F(例如g或其他)反應(yīng)以通 過分子自組裝工藝來沉積致密連續(xù)的單層納米顆粒。通過調(diào)節(jié)納米顆粒和^灰 納米管上的功能基團,可以調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)表面和納米顆粒之間的距離,從而 使表面狀態(tài)效應(yīng)最小化以便于電荷復(fù)合。維持該距離以使電子通過該間隙從 納米顆粒隧穿到高度導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)。在一些實施例中,該距離為幾埃,優(yōu)選 為小于5埃。電子容易輸運會消除電荷復(fù)合從而導(dǎo)致有效的電荷分離,其結(jié) 果是有效的太陽能轉(zhuǎn)換。在一個實施例中,光敏納米顆粒通過在適當(dāng)溶劑中 反應(yīng)而附于碳納米管。導(dǎo)電碳納米管可以通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法直接在 襯底(例如金屬箔、由諸如ITO的導(dǎo)電氧化物涂覆的玻璃)上生長。光敏納 米顆??梢愿皆谏L在襯底上的碳納米管上。本發(fā)明的另 一方面教導(dǎo)光伏裝置構(gòu)造,其中不同尺寸的光敏納米顆粒分 散在高遷移率聚合物前驅(qū)體中以形成層合在兩個電極之間的單層,至少 一個 電極是透明的??蛇x將第二聚合物和/或?qū)щ娂{米結(jié)構(gòu)混在包含納米顆粒和前 驅(qū)體的層中。
此外,本發(fā)明的實施例提供具有多層結(jié)構(gòu)的光伏裝置構(gòu)造,其中各層包 括的 一種或多種尺寸的光敏納米顆粒分散在高遷移率聚合物前驅(qū)體中以形 成層合在兩個電極之間的單層,其中至少一個電極是透明的??蛇x將第二聚 合物和/或?qū)щ娂{米結(jié)構(gòu)混在包含納米顆粒和前驅(qū)體的這些層的每一層中。
本發(fā)明進一 步提供光伏裝置,其中附有分散在高遷移率聚合物前驅(qū)體中 的(可選結(jié)合有第二聚合物)不同尺寸不同材料的光敏納米顆粒的碳納米管 形成層合在兩個電極之間的單層。這兩個電極中至少一個是透明的。本發(fā)明 的實施例包括光伏裝置,其中附有單一尺寸的光敏納米顆粒的碳納米管堆疊 在一起以形成層合在兩個電極之間的多層,其中至少一個電極是透明的。另 外,本發(fā)明提供光伏裝置,其中附有單一尺寸單一材料的光敏納米顆粒的碳 納米管堆疊在一起以形成層合在兩個電極之間的多層,其中至少 一個電極是 透明的。在另一實施例中,提供的光伏裝置包括附有多個尺寸單一材料的光 敏納米顆粒的碳納米管堆疊在一起以形成層合在兩個電極之間的多層,其中 至少一個電極是透明的。
另一方面,本發(fā)明的實施例提供光伏裝置,其包括設(shè)置在電極和納米復(fù) 合材料層之間的空穴輸運界面層。實施例包括光伏裝置,其中電子輸運界面 層用在電極和納米復(fù)合材料層之間。
現(xiàn)在參考附圖來描述說明性實施例的實例。參考圖8,示出了本發(fā)明的 光伏裝置800的一個實施例。在本實施例中,光伏裝置通過由現(xiàn)有技術(shù)中已 知的方法沉積絕緣層820和金屬層830而建在玻璃、金屬或塑料^f底810上。 在IR區(qū)800-2000 nm (帶隙為1.2 ev或更小)中吸收的納米結(jié)構(gòu)材料層840 沉積在金屬層830上,隨后是包括透明導(dǎo)電層(例如ITO )或隧道結(jié)層850 的復(fù)合層。在這些層之后形成設(shè)置在納米結(jié)構(gòu)層840以上的第一光活 (photoactive)層855。在本實施例中,第一光活層855包括標(biāo)準(zhǔn)非晶硅層, 該標(biāo)準(zhǔn)非晶硅層包括n型非晶硅860、 i型非晶硅870和p型非晶硅880。可 選地,第一光活層855可以包括微晶硅層,該微晶硅層也包括n型微晶硅、 i型微晶硅和p型微晶硅。第一光活層855可以通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法形成。諸如ITO的透明導(dǎo)電層(TCO) 890隨后沉積在硅層的頂上。光伏裝 置定向為太陽光8100落在TCO 890上。非晶或微晶硅層855的厚度可以調(diào) 節(jié)為使在太陽光譜的可見區(qū)中的吸收最大化。本實施例中描述的光伏裝置會 從太陽光譜中收獲可見和IR光子,其結(jié)果是與不集成IR吸收納米顆粒的光 伏裝置設(shè)計相比有更高的轉(zhuǎn)換效率。
特別有利的是,復(fù)合層或隧道結(jié)層850設(shè)置在第一光活層和納米結(jié)構(gòu)層 之間。在一些實施例中,復(fù)合層可以包括摻雜層,該摻雜層包括傳導(dǎo)與納米 結(jié)構(gòu)材料相反的電荷的材料。因此在一些實施例中,復(fù)合層會包括電荷與納 米結(jié)構(gòu)材料中的導(dǎo)電聚合物相反的摻雜層??蛇x地,復(fù)合層是包括傳導(dǎo)與納 米結(jié)構(gòu)材料中的納米顆粒相反的電荷的材料的摻雜層。復(fù)合層可以進一步包 括與摻雜層耦合的金屬層和/或絕緣層。
圖9更詳細地示出復(fù)合層850。在下面的實例中,復(fù)合層850有時也4皮 稱作隧道結(jié)層。納米結(jié)構(gòu)層840包括空穴導(dǎo)電材料,其可以是空穴導(dǎo)電納米 顆粒,或者M在諸如空穴導(dǎo)電聚合物的空穴導(dǎo)電材料中的納米顆粒。復(fù)合 層850包括金屬和/或絕緣體層以及p摻雜材料層。通常,復(fù)合層是包括傳導(dǎo) 與納米結(jié)構(gòu)層相反電荷的材料的摻雜層。這樣,復(fù)合層是摻雜層850B,其 包括傳導(dǎo)與納米顆粒相反的電荷的材料,或者包括根據(jù)納米結(jié)構(gòu)層840的材 料的導(dǎo)電聚合物。在一些實施例中,復(fù)合層進一步包括與摻雜層850B耦合 的金屬層850A。復(fù)合層可選進一步包括與摻雜層850B耦合的絕緣層(未示 出)。
為了為本發(fā)明的光伏裝置提供適當(dāng)?shù)捻敽偷纂姵剡B接,提供界面或復(fù)合 層850,大體如圖9所示。在一個實施例中,復(fù)合層可以具有摻雜類型與裝 置的納米結(jié)構(gòu)層和/或在第一光活層和納米結(jié)構(gòu)層之間的薄的金屬或絕緣層 相反的重摻雜非晶硅的附加層,其被認為是頂和底太陽能電池。復(fù)合層設(shè)置 成促進層之間的電荷輸運。具體地,復(fù)合層設(shè)置成能帶結(jié)構(gòu)有利于顯著增大 來自底納米結(jié)構(gòu)層840 (也稱作底電池)的空穴和來自第一光活層855 (也 稱作頂電池)的電子之間的復(fù)合率(recombination rate )。同時,在e-h復(fù)合 過程中的SS參與(participation)被頂和底電池之間的物理分離所抑制。
再次參考圖9,頂電池具有沉積在本實施例中作為P-I-N半導(dǎo)體N+區(qū)的 第一光活層855的重摻雜N+接觸層上的額外重摻雜P+層850B。以上P+和 N+區(qū)在其界面形成隧道結(jié),額外P+層850B實際成為底納米結(jié)構(gòu)層840的空穴導(dǎo)電部分(component)的一部分。第一和納米結(jié)構(gòu)層855和840分別 被金屬的薄隧道膜850A物理分離。在一些實施例中,金屬膜850A包括金 (Au)并優(yōu)選具有在大約5-15A范圍內(nèi)的厚度。在其他實施例中可以使用其 他金屬膜,只要其足夠薄以確??昭◤募{米結(jié)構(gòu)層的直接隧穿而不在界面引 起任何顯著的光或電損耗??蛇x地,可以用絕緣材料代替金屬材料。應(yīng)當(dāng)注 意的是,本發(fā)明可以有效地用在相反導(dǎo)電類型的光伏裝置實施例中,在此情 況中額外N+層會替代本實施例的P+層且納米結(jié)構(gòu)層設(shè)計為上接觸層是電子 導(dǎo)電而不是空穴導(dǎo)電。
圖9中也示出相應(yīng)的能帶圖(band diagram )。可以看出由于本發(fā)明的復(fù) 合界面,創(chuàng)造了有利的能量條件,使得來自納米結(jié)構(gòu)或底電池的空穴通過薄 的金屬膜傳輸?shù)巾旊姵氐念~外P+層,隨后直接隧穿并與頂電池的N+層中的 電子復(fù)合,從而提供有效的低電阻和最小損耗的頂和底電池的串聯(lián)。因此本 發(fā)明代表了對頂和底電池的適當(dāng)連接問題的有效解決方案。
具有IR吸收層的光伏裝置的進一步實例
圖10示出本發(fā)明的光伏裝置的另一實施例。大體上,在本實施例中, 納米結(jié)構(gòu)材料層包括與多晶或單晶硅層集成的IR收獲納米顆粒層。多晶或 單晶硅層形成基本在太陽光譜的可見范圍吸收輻射的材料的第 一光伏層。在 本實施例中,多晶硅光伏裝置是通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法建立的,所述方 法首先是n型多晶硅晶片1040并用p型摻雜物在晶片的一側(cè)將其摻雜(也 可以用n型摻雜物摻雜p型單晶晶片),然后是透明導(dǎo)體或?qū)щ姈鸥?grid) 1050。透明導(dǎo)電層(例如ITO)或隧道結(jié)層1030在第一 TCO層1050的相 反側(cè)沉積在多晶硅晶片上。在IR區(qū)800-2000 nm (帶隙為1.2 ev或更小)中 吸收的納米顆粒層1020沉積在TCO或隧道結(jié)層1030上,隨后是金屬層 1010。多晶硅層的厚度和摻雜物濃度可以調(diào)節(jié)為使太陽光譜的可見區(qū)中的吸 收最大化。本實施例中描述的光伏裝置會從太陽光i普收獲可見和IR光子, 其結(jié)果是與不集成IR吸收納米結(jié)構(gòu)的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
在又一實施例中,如圖11所示,提供光伏裝置,其中第一光活層包括 CdTe材料。這里的納米結(jié)構(gòu)材料層包括IR收獲納米顆粒層。在本實施例中, 光伏裝置通過由現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積絕緣層1120和金屬層1130而建 在玻璃、金屬或塑料村底1110上。在IR區(qū)800-2000 nm (帶隙為1.2 ev或 更小)中吸收的納米顆粒層1140沉積在金屬層1130上,隨后是透明導(dǎo)電層(例如ITO)或隧道結(jié)層1150,其包括復(fù)合層。這些層之后是通過現(xiàn)有技術(shù) 中已知的方法形成的CdTe層1160。透明導(dǎo)電層TCO 1170諸如ITO隨后沉 積在硅層的頂上。光伏裝置定向為太陽光1180落在TCO H70上。CdTe層 的厚度可以調(diào)節(jié)為使太陽光譜的可見區(qū)中的吸收最大化。本實施例中描述的 光伏裝置會從太陽光譜收獲IR和可見光子,其結(jié)果是與不集成IR吸收納米 顆粒的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
在如圖12所示的進一步實施例中,IR收獲納米顆粒與CIGS層集成。 在本實施例中,光伏裝置通過由現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積絕緣層1220和 金屬層1230而建在玻璃、金屬或塑料襯底1210上。在IR區(qū)800-2000 nm(帶 隙為1.2 ev或更小)中吸收的納米顆粒層1240沉積在金屬層1230上,隨后 是透明導(dǎo)電層(例如ITO)或隧道結(jié)層1250,其包括復(fù)合層。這些層之后是 通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法形成的CIGS層1260。透明導(dǎo)電層TCO 1270諸 如ITO隨后沉積在石圭層的頂上。光伏裝置定向為太陽光1280落在TCO 1270 上。CdTe層的厚度可以調(diào)節(jié)為使太陽光譜的可見區(qū)中的吸收最大化。本實 施例中描述的光伏裝置會從太陽光譜收獲IR和可見光子,其結(jié)果是與不集 成IR吸收納米顆粒的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
具有UV吸收層的光伏裝置的實例
在本發(fā)明的另一方面,提供光伏裝置,其中第一光活層包括表現(xiàn)基本在 太陽光譜的可見區(qū)吸收輻射的半導(dǎo)體材料,頂光活層包括表現(xiàn)基本在太陽光 譜的UV區(qū)吸收輻射的一種或多種納米顆粒。復(fù)合層設(shè)置在第一層和頂層之 間,并構(gòu)造成促進第一層和頂層之間的電荷輸運。圖13示出UV收獲納米 顆粒層的頂光活層,與包括非晶或微晶硅層的第一光活層集成。在本實施例 中,光伏裝置通過由現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積絕緣層1320和金屬層1330 而建在玻璃、金屬或塑料襯底1310上。通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法,這些 層之后是標(biāo)準(zhǔn)非晶或微晶硅層,其在本實施例中形成第一光活層并包括n型 非晶硅1340、 i型非晶硅1350和p型非晶硅1360。透明導(dǎo)電層TCO或隧道 結(jié)層1370 (在此情況中為復(fù)合層)隨后沉積在硅層的頂上作為復(fù)合層。在 UV區(qū)中吸收的納米顆粒層1380 (帶隙為2 ev或更大)沉積在TCO或隧道 結(jié)層1370上,隨后是透明導(dǎo)電層1390諸如ITO。光伏裝置定向為太陽光(100) 落在TCO ( 90 )上。非晶硅層的厚度可以調(diào)節(jié)為使太陽光譜的可見區(qū)中的吸 收最大化。本實施例中描述的光伏裝置會從太陽光語收獲UV和可見光子,其結(jié)果是與不集成UV吸收納米顆粒的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
在如圖14所示的另一實施例中,UV收獲納米顆粒層與多晶或單晶硅層 集成。在本實施例中,多晶或單晶硅光伏裝置通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法建 立,首先是n型多晶晶片1420并在晶片的一側(cè)用p型摻雜物將其摻雜(也 可以用n型摻雜物摻雜p型單晶晶片),然后是金屬層1410。透明導(dǎo)電層(例 如TCO)或隧道結(jié)層1430 (也稱作復(fù)合層)在與金屬層1410相反的側(cè)沉積 在多晶硅晶片上。在UV區(qū)中吸收的納米顆粒層1440 (帶隙為2ev或更大) 沉積在TCO或隧道結(jié)層1430上,隨后是TCO層1450。多晶硅層的厚度和 摻雜物濃度可以調(diào)節(jié)為使太陽光譜的可見區(qū)中的吸收最大化。本實施例中描 述的光伏裝置會從太陽光譜收獲UV和可見光子,其結(jié)果是與不集成UV吸 收納米結(jié)構(gòu)的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
在如圖15所示的另一實施例中,UV收獲納米顆粒層與CdTe層集成。 在本實施例中,光伏裝置通過由現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積絕緣層1520和 金屬層1530以及隨后的CdTe層1540而建在玻璃、金屬或塑料襯底1510上。 透明導(dǎo)電層(例如TCO)或隧道結(jié)層1550 (在本情況中為復(fù)合層)沉積在 CdTe層1540上,隨后是在UV區(qū)中吸收的納米顆粒層1560 (帶隙為2 ev 或更大),然后透明導(dǎo)電層TCO 1570諸如ITO沉積在納米顆粒層的頂上。 光伏裝置定向為太陽光1580落在TCO 1570上。CdTe層的厚度可以調(diào)節(jié)為 使太陽光譜的可見區(qū)中的吸收最大化。本實施例中描述的光伏裝置會從太陽 光譜收獲UV和可見光子,其結(jié)果是與不集成UV吸收納米顆粒的光伏裝置 設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
在如圖16所示的又一實施例中,UV收獲納米顆粒層與CIGS層集成。 在本實施例中,光伏裝置通過由現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積絕緣層1620和 金屬層1630以及隨后的CIGS層1640而建在玻璃、金屬或塑料襯底1610 上。透明導(dǎo)電層(例如TCO )或隧道結(jié)層1650 (也稱作復(fù)合層)沉積在CIGS 層1640上,隨后是在UV區(qū)中吸收的納米顆粒層1660(帶隙為2 ev或更大), 然后透明導(dǎo)電層TCO 1670諸如ITO沉積在納米顆粒層的頂上。光伏裝置定 向為太陽光1680落在TCO 1670上。CIGS層的厚度可以調(diào)節(jié)為使太陽光譜 的可見區(qū)中的吸收最大化。本實施例中描述的光伏裝置會從太陽光譜收獲 UV和可見光子,其結(jié)果是與不集成UV吸收納米顆粒的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
具有UV和IR吸收層的光伏裝置的實例
進一方面,本發(fā)明的實施例提供光伏裝置,包括包括表現(xiàn)出基本在太 陽光譜的可見區(qū)中吸收輻射的半導(dǎo)體材料的第一光活層,以及包括形成在第
光活層。復(fù)合層設(shè)置在第一層和頂層之間,并構(gòu)造成促進第一層和頂層之間 的電荷輸運。包括表現(xiàn)出基本在太陽光鐠的IR區(qū)中吸收輻射的納米結(jié)構(gòu)材 料的底光活層形成在第一光活層以下。第二復(fù)合層設(shè)置在第一層和底層之 間,并構(gòu)造成促進第一層和底層之間的電荷輸運。
圖17示出UV收獲納米顆粒層的頂層和IR收獲納米顆粒層的底層,其 間設(shè)置有第一光活層。在本實施例中,第一光活層包括非晶或微晶硅層。在 本實施例中,光伏裝置通過由現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積絕緣層1720和金 屬層1730而建在玻璃、金屬或塑料襯底1710上。在IR區(qū)800-2000 nm (帶 隙小于1.2ev)中吸收的納米顆粒層1740沉積在金屬層1730上,隨后是透 明導(dǎo)電層(例如ITO)或隧道結(jié)層1750。在這些層之后沉積第一光活層,在 此情況中是通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法形成的包括n型非晶硅1760、 i型非 晶硅1770和p型非晶硅1780的標(biāo)準(zhǔn)非晶或微晶硅層。透明導(dǎo)電層TCO 1790 或隧道結(jié)層隨后沉積在硅層頂上。在UV區(qū)中吸收的納米顆粒層17100 (帶 隙大于2 ev)沉積在TCO或隧道結(jié)層(90 )上,隨后是透明導(dǎo)電層諸如ITO 17110。光伏裝置定向為太陽光17120落在TCO 1790上。非晶硅層的厚度可 以調(diào)節(jié)為使太陽光譜的可見區(qū)中的吸收最大化。本實施例中描述的光伏裝置 會從太陽光譜收獲可見、UV和IR光子,其結(jié)果是與不集成UV和IR吸收 納米顆粒的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
圖18描繪了另一實施例,其示出與多晶或單晶硅層集成的UV和IR收 獲納米顆粒層。在本實施例中,多晶或單晶硅光伏裝置通過現(xiàn)有技術(shù)中已知 的方法建立,首先是n型多晶晶片1840并在晶片的一側(cè)用p型摻雜物將其 摻雜(也可以用n型摻雜物摻雜p型單晶晶片),然后是TCO或隧道結(jié)層 1830。透明導(dǎo)電層(例如TCO)或隧道結(jié)層(也稱作復(fù)合層)1860在與第 一 TCO或隧道結(jié)層1830相反的側(cè)沉積在多晶硅晶片上。在UV區(qū)中吸收的 納米顆粒層1860 (帶隙為大于2ev)沉積在TCO或隧道結(jié)層1830上,隨后 是TCO層1870。在IR區(qū)中吸收的納米顆粒層1820 (帶隙為小于1.2 ev)沉積在TCO或隧道結(jié)層1830上,隨后是金屬電極層1810。多晶硅層的厚度和 摻雜物濃度可以調(diào)節(jié)為使太陽光譜的可見區(qū)中的吸收最大化。本實施例中描 述的光伏裝置會從太陽光謙收獲可見、UV和IR光子,其結(jié)果是與不集成 UV和IR吸收納米結(jié)構(gòu)的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
圖19示出21UV和IR收獲納米顆粒層與CdTe層集成的另一實施例。 在本實施例中,光伏裝置通過由現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積絕緣層1920和 金屬層1930以及隨后的在IR區(qū)中吸收的納米顆粒層1940 (帶隙為小于1.2 ev)而建在玻璃、金屬或塑料襯底1910上,隨后是透明導(dǎo)電層TCO 1950 或隧道結(jié)層。CdTe層1960隨后通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積在TCO或 隧道結(jié)層(或復(fù)合層)1950上。透明導(dǎo)電層(例如ITO)或隧道結(jié)層1970 沉積在CdTe層1960上,隨后是在UV區(qū)中吸收的納米顆粒層1980 (帶隙 大于2 ev ),然后透明導(dǎo)電層TCO 19卯諸如ITO沉積在納米顆粒層的頂上。 光伏裝置定向為太陽光19100落在TCO 1990上。CdTe層的厚度可以調(diào)節(jié)為 使太陽光諳的可見區(qū)中的吸收最大化。本實施例中描述的光伏裝置會從太陽 光語收獲可見、UV和IR光子,其結(jié)果是與不集成UV和IR吸收納米顆粒 的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
圖20示出UV和IR收獲納米顆粒層與CIGS層集成的又一實施例。在 本實施例中,光伏裝置通過由現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積絕緣層2020和金 屬層2030以及隨后的在IR區(qū)中吸收的納米顆粒層2040(帶隙為小于1.2 ev ) 而建在玻璃、金屬或塑料襯底2010上,隨后是透明導(dǎo)電層TCO或隧道結(jié)層 (或復(fù)合層)2050。 CIGS層2060隨后通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積在 TCO或隧道結(jié)層2050上。透明導(dǎo)電層(例如ITO )或隧道結(jié)層2070沉積在 CIGS層2060上,隨后是在UV區(qū)中吸收的納米顆粒層2080(帶隙大于2 ev ), 然后透明導(dǎo)電層TCO 2090諸如ITO沉積在納米顆粒層的頂上。光伏裝置定 向為太陽光20100落在TCO 2090上。CIGS層的厚度可以調(diào)節(jié)為使太陽光譜 的可見區(qū)中的吸收最大化。本實施例中描述的光伏裝置會從太陽光譜收獲可 見、UV和IR光子,其結(jié)果是與不集成UV和IR吸收納米顆粒的光伏裝置 設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
在本發(fā)明的另 一方面,化合物半導(dǎo)體材料可以用作基本在太陽光譜的可 見區(qū)吸收輻射的第一光活層。圖21示出UV收獲納米顆粒層(例如InP量 子點)與III-V半導(dǎo)體層(例如GaAs)集成的光伏裝置。在本實施例中,光伏裝置通過由現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積絕緣層2120和金屬層2130而建在 襯底2110上。這些層之后是通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法得到的包括p型半 導(dǎo)體2140和n型半導(dǎo)體2150的III-V半導(dǎo)體層。透明導(dǎo)電層TCO 2160或 隧道結(jié)層隨后沉積在III-V層頂上。在UV區(qū)中吸收的納米顆粒層2170 (帶 隙大于2 ev )沉積在TCO或隧道結(jié)層(也稱作復(fù)合層)2160上,隨后是透 明導(dǎo)電層2180。光伏裝置定向為太陽光2190落在TCO 2180上。本實施例 中描述的光伏裝置會從太陽光譜收獲可見和UV光子,其結(jié)果是與不集成 UV吸收納米顆粒的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。 四結(jié)光伏裝置的實例
本發(fā)明的一些實施例提供四結(jié)光伏裝置。圖22示出將IR收獲納米顆粒 光伏裝置和晶態(tài)(單晶或多晶)光伏裝置集成以形成四結(jié)光伏裝置。在本實 施例中,晶態(tài)硅光伏裝置通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法建立,首先是n型晶態(tài) 硅晶片2280并在晶片的一側(cè)用p型摻雜物將其摻雜(也可以用n型摻雜物 摻雜p型硅晶片),然后是透明導(dǎo)電層2270。晶態(tài)硅光伏裝置通過在硅晶片 上與第一 TCO層2270相反的側(cè)沉積透明導(dǎo)電層(例如ITO )或隧道結(jié)層(第 一復(fù)合層)2290來完成。包含IR吸收納米顆粒的光伏裝置的建立是通過 首先是襯底(玻璃、金屬或塑料)2210并通過使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉 積介電層2220和隨后的金屬層2230。在IR區(qū)中吸收的納米顆粒層2240(帶 隙為小于1 ev)沉積在金屬層2230上,隨后是TCO或隧道結(jié)層(在此情況 中為第二復(fù)合層)2250。圖22所示的四結(jié)串聯(lián)電池通過組合晶態(tài)硅光伏裝 置和IR吸收納米顆粒光伏裝置而建立。可以選擇使用光學(xué)粘合層(optical adhesive layer) 2260將兩個電池粘合在一起。各個電池的性能可以調(diào)節(jié)為使 太陽光語的可見和IR區(qū)中的吸收最大化。本實施例中描述的光伏裝置會從 太陽光譜收獲可見和IR光子,其結(jié)果是與不集成包含IR吸收納米結(jié)構(gòu)的光 伏裝置的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
圖23示出將UV收獲納米顆粒光伏裝置和晶態(tài)(單晶或多晶)硅光伏 裝置集成以形成四結(jié)光伏裝置的另一實施例。在本實施例中,晶態(tài)硅光伏裝 置通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法建立,首先是n型晶態(tài)硅晶片2320并在晶片 的一側(cè)用p型摻雜物將其摻雜(也可以用n型摻雜物摻雜p型硅晶片),然 后是金屬層2310。晶態(tài)硅光伏裝置通過在硅晶片上與金屬層2310相反的側(cè) 沉積透明導(dǎo)電層(例如ITO)或隧道結(jié)層(在此情況中為第一復(fù)合層)2330來完成。包含UV吸收納米顆粒的光伏裝置的建立是通過首先是透明襯底 (玻璃或塑料)2380并通過使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積透明導(dǎo)電TCO 層2370。在IR區(qū)中吸收的納米顆粒層2360 (帶隙為小于2 ev)沉積在TCO 層2370上,隨后是TCO或隧道結(jié)層(在此情況中為第二復(fù)合層)2350。圖 23所示的四結(jié)串聯(lián)電池通過組合晶態(tài)硅光伏裝置和IR吸收納米顆粒光伏裝 置而建立??梢赃x擇使用光學(xué)粘合層2340將兩個電池粘合在一起。各個電 池的性能可以調(diào)節(jié)為使太陽光譜的可見和UV區(qū)中的吸收最大化。本實施例 中描述的光伏裝置會從太陽光譜收獲可見和UV光子,其結(jié)果是與不集成包 含UV吸收納米結(jié)構(gòu)的光伏裝置的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。
圖24示出將IR收獲納米顆粒光伏裝置和薄膜(a-Si、 u-Si、 CdTe、 CIGS、 m-v)光伏裝置集成以形成四結(jié)光伏裝置的又一實施例。在本實施例中,薄 膜光伏裝置通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法建立,首先是透明村底24100并沉積 透明導(dǎo)電層2490,隨后是活性(active )薄膜層2480和透明導(dǎo)體或隧道結(jié)層 (第一復(fù)合層)2470。包含IR吸收納米顆粒的光伏裝置的建立是通過首 先是襯底(玻璃、金屬或塑料)2410并通過使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積 介電層2420和隨后的金屬層2430。在IR區(qū)中吸收的納米顆粒層2440 (帶 隙為小于1 ev)沉積在金屬層2430上,隨后是TCO或隧道結(jié)層(第二復(fù)合 層)2450。圖24所示的四結(jié)串聯(lián)電池通過組合晶態(tài)硅光伏裝置和IR吸收納 米顆粒光伏裝置而建立??梢赃x擇使用光學(xué)粘合層2460將兩個電池粘合在 一起。各個電池的性能可以調(diào)節(jié)為使太陽光譜的可見和IR區(qū)中的吸收最大 化。本實施例中描述的光伏裝置會從太陽光譜收獲可見和IR光子,其結(jié)果 是與不集成包含IR吸收納米結(jié)構(gòu)的光伏裝置的光伏裝置設(shè)計相比的更高的 轉(zhuǎn)換效率。
圖25示出根據(jù)本發(fā)明實施例的四結(jié)光伏裝置的另外的實施例,其中UV 收獲納米顆粒光伏裝置和薄膜(a-Si、 u-Si、 CdTe、 CIGS、 III-V)光伏裝置 集成以形成四結(jié)光伏裝置。在本實施例中,薄膜光伏裝置通過現(xiàn)有技術(shù)中已 知的方法建立,首先是透明襯底25100并沉積透明導(dǎo)電層2590,隨后是活性 薄膜層2580和透明導(dǎo)體或隧道結(jié)層(例如第一復(fù)合層)2570。包含UV吸 收納米顆粒的光伏裝置的建立是通過首先是襯底(玻璃、金屬或塑料)2510 并通過使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法沉積介電層2520和隨后的金屬層2530。 在UV區(qū)中吸收的納米顆粒層2540 (帶隙為小于1 ev)沉積在金屬層2530上,隨后是TCO或隧道結(jié)層(例如第二復(fù)合層)2550。圖25所示的四結(jié)串 聯(lián)電池通過組合晶態(tài)硅光伏裝置和UV吸收納米顆粒光伏裝置而建立。可以 選擇使用光學(xué)粘合層2560將兩個電池粘合在一起。各個電池的性能可以調(diào) 節(jié)為使太陽光譜的可見和UV區(qū)中的吸收最大化。本實施例中描述的光伏裝 置會從太陽光譜收獲可見和UV光子,其結(jié)果是與不集成包含UV吸收納米 結(jié)構(gòu)的光伏裝置的光伏裝置設(shè)計相比的更高的轉(zhuǎn)換效率。 具有功能化納米顆粒的光伏裝置的實例
在進一方面,本發(fā)明的實施例提供光伏裝置,包括包括表現(xiàn)出基本在 太陽光譜的可見區(qū)中吸收輻射的半導(dǎo)體材料的第 一光活層,以及包括表現(xiàn)出 基本在太陽光譜的UV和/或區(qū)中吸收輻射的納米結(jié)構(gòu)材料的一個或多個光 活層,其中納米結(jié)構(gòu)材料中的一種或多種包括功能化納米顆粒。圖26示出 根據(jù)本發(fā)明的納米復(fù)合材料光伏裝置的一個實施例。該光伏裝置的形成是通 過在涂覆有諸如ITO的透明導(dǎo)體2620的玻璃襯底2610上,涂覆包含光敏 納米顆粒和諸如并五苯的高遷移率聚合物前驅(qū)體的薄層的納米復(fù)合材料 2640,隨后沉積陰極金屬層2660。光敏納米顆粒可以由IV、 II-IV、 II-VI、 IV-VI、 III-V族材料制成。光敏納米顆粒的實例包括但不限于Si、 Ge、 CdSe、 PbSe、 ZnSe、 CdTe、 CdS或PbS中的任何一個或多個。納米顆粒的尺寸可 以變化,例如在大約2 nm到10 nm的范圍內(nèi),以獲得帶隙范圍。這些納米 顆??梢酝ㄟ^現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法制備。納米顆??梢酝ㄟ^現(xiàn)有技術(shù)中已 知的方法來功能化。適當(dāng)?shù)墓δ芑鶊F的實例包括但不限于羧基(carboxylic) (-COOH )、氨基(amine )(-麗2 )、膦酸基(phosfonate ) (-P04 )、磺酸基 (sulfonate ) (-HS03 )、氨基乙硫醇基(aminoethanethiol)等。光敏納米顆粒 分散在諸如并五苯的高遷移率聚合物前驅(qū)體中的納米復(fù)合材料層2640可以 通過旋涂或其他已知的溶液加工技術(shù)而沉積在ITO涂覆的玻璃襯底上。該層 可以是一個單層或多個單層。納米復(fù)合材料層2640中的前驅(qū)體的聚合是通 過將膜加熱到適當(dāng)溫度以使并五苯前驅(qū)體開始聚合。如果使用UV聚合的前 驅(qū)體,則聚合可以通過從圖26的ITO側(cè)2620將膜暴露于UV來實現(xiàn)。光伏 裝置的實施例可以才艮據(jù)圖32所示的方法來制造。在該裝置中,電子空穴對 在太陽光被納米顆粒吸收時產(chǎn)生,并且產(chǎn)生的電子被諸如并五笨的高遷移率 聚合物快速輸運到陰極并收集。電子從由納米顆粒產(chǎn)生的電子空穴對的這種 快速除去消除了通常在基于納米顆粒的光伏裝置中觀察到的電子空穴復(fù)合的可能性。
根據(jù)圖26所示的實施例,空穴注入/輸運界面層或緩沖層2630可以設(shè)置 在ITO 2620和納米復(fù)合材料層2640之間??蛇x地,電子注入/輸運界面層, 也稱作復(fù)合層,2650可以設(shè)置在金屬層2660和納米復(fù)合材料層2640之間。
圖27示出納米復(fù)合材料光伏裝置的另一實施例。該光伏裝置的制造是 通過在涂覆有諸如ITO的透明導(dǎo)體2720的玻璃襯底2710上,涂覆包括光 敏納米顆粒、諸如PVK或P3HT的高遷移率聚合物和諸如并五苯的高遷移 率聚合物前驅(qū)體2740的納米復(fù)合材料層2740,隨后沉積陰極金屬層2760。
光敏納米顆粒包括iv、 n-iv、 n-vi、 iv-vi、 ni-v族材料。光敏納米顆粒的
實例包括但不限于Si、 Ge、 CdSe、 PbSe、 ZnSe、 CdTe、 CdS或PbS中的任 何一個或多個。納米顆粒的尺寸可以變化(例如在大約2 nm到10 nm的范 圍內(nèi))以獲得帶隙范圍。這些納米顆??梢酝ㄟ^現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法制備。 納米顆??梢酝ㄟ^現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法來功能化。功能基團包括但不限 于羧基(carboxylic ) (-COOH )、氨基(amine ) (-NH2 )、膦酸基(phosfonate ) (-P04)、磺酸基(sulfonate) (-HS03 )、氨基乙硫醇基(aminoethanethiol) 等。光敏納米顆粒分散在諸如PVK或P3HT的高遷移率聚合物和諸如并五 苯的高遷移率聚合物前驅(qū)體中的納米復(fù)合材料層2740可以通過旋涂或其他 已知的溶液加工技術(shù)而沉積在ITO涂覆的玻璃襯底上。納米復(fù)合材料層2740 可以是一個單層或多個單層。在一些實施例中,納米復(fù)合材料層2740中的 前驅(qū)體的聚合是通過將膜加熱到適當(dāng)溫度以使并五苯前驅(qū)體開始聚合。如果 使用UV聚合的前驅(qū)體,則聚合可以通過從ITO側(cè)2720將膜暴露于UV來 實現(xiàn)。在一些實施例中,光伏裝置根據(jù)圖32所示的方法來制造。根據(jù)本實 施例建立的光伏裝置被期望具有高的效率。在該裝置中,電子空穴對在太陽 光被納米顆粒吸收時產(chǎn)生,并且產(chǎn)生的電子被諸如并五苯的高遷移率聚合物 快速輸運到陰極并收集。電子從由納米顆粒產(chǎn)生的電子空穴對的這種快速除 去消除了通常在基于納米顆粒的光伏裝置中觀察到的電子空穴復(fù)合的可能 性。
另外,在一些實施例中,可以在ITO 2720和納米復(fù)合材料層2740之間 使用空穴注入/輸運界面層或緩沖層2730。在可選實施例中,可以在金屬層 2760和納米復(fù)合材料層2740之間使用電子注入/輸運界面層2750。
具有功能化納米顆粒和導(dǎo)電納米顆粒/納米結(jié)構(gòu)的光伏裝置的實例在一些實施例中,納米結(jié)構(gòu)材料包括光敏納米顆粒和導(dǎo)電納米顆粒的混 合物。光壽文和導(dǎo)電納米顆粒之一可以被功能化,或者可以該兩者都被功能化。
導(dǎo)電納米顆粒的實例包括單壁碳納米管(SWCNT)、 Ti02納米管或ZnO納 米線中任一個或多個。光敏納米顆粒的實例包括CdSe、 ZnSe、 PbSe、 InP、 Si、 Ge、 SiGe或m-V族材料中任一個或多個。
圖28示出納米復(fù)合材料光伏裝置的實施例。該光伏裝置的建立可以通 過在涂覆有諸如ITO的透明導(dǎo)體2820的玻璃襯底2810上,涂覆包含附在 分散在諸如并五苯的高遷移率聚合物前驅(qū)體中的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)上的光敏納 米顆粒的薄層的納米復(fù)合材料2840,隨后沉積陰極金屬層2860。光敏納米 顆??梢杂蒊V、 II-IV、 II-VI、 IV-VI、 m-v族材料制成。光^:納米顆粒的實 例包括Si、 Ge、 CdSe、 PbSe、 ZnSe、 CdTe、 CdS、 PbS。納米顆粒的尺寸可 以變化(例如2到10 nm)以獲得帶隙范圍。這些納米顆??梢愿鶕?jù)現(xiàn)有 技術(shù)中已知的方法制備。納米顆??梢愿鶕?jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法來功能 化。功能基團可以包括羧基(carboxylic ) (-COOH )、氨基(amine ) (-NH2 )、 膦酸基(phosfonate) (-P04 )、磺酸基(sulfonate) (-HS03 )、氨基乙硫醇基 (aminoethanethiol)等。導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)可以由石友納米管(SWCNT)、 1102納 米管或ZnO納米線制成。導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)可以被功能化以便于光敏納米顆粒 附著在導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)的表面上。光敏納米顆粒的納米復(fù)合材料層2840附在 導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)上并分散在諸如并五苯的高遷移率聚合物前驅(qū)體中。該層2840 通過旋涂或其他已知的溶液加工技術(shù)沉積在ITO涂覆的玻璃襯底上。該層可 以是一個單層或多個單層。納米復(fù)合材料層2840中的前驅(qū)體的聚合是通過 將膜加熱到適當(dāng)溫度以使前驅(qū)體開始聚合。如果使用UV聚合的前驅(qū)體,則 聚合可以通過從ITO側(cè)2820將膜暴露于UV來實現(xiàn)??梢赃M行圖32所示的 方法來形成光伏裝置。在該裝置中,電子空穴對在太陽光^l納米顆粒吸收時 產(chǎn)生,并且產(chǎn)生的電子被導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)和諸如并五苯的高遷移率聚合物快速 輸運到陰極并收集。電子從由納米顆粒產(chǎn)生的電子空穴對的這種快速除去消 除了通常在基于納米顆粒的光伏裝置中觀察到的電子空穴復(fù)合的可能性。另 外可以在ITO 2820和納米復(fù)合材料層2840之間使用空穴注入/輸運界面層或 緩沖層2830。在另一實施例中,可以在金屬層2860和納米復(fù)合材料層2840 之間使用電子注入/輸運界面層2850。
圖29示出納米復(fù)合材料光伏裝置的進一步實施例。該光伏裝置的建立可以通過在涂覆有諸如ITO的透明導(dǎo)體2920的玻璃襯底2910上,涂覆包 含附在^t在諸如PVK或P3HT的高遷移率聚合物和諸如并五苯的高遷移 率聚合物前驅(qū)體2940中的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)上的光敏納米顆粒的納米復(fù)合材料 層2940,隨后沉積陰極金屬層2960。光敏納米顆??梢园↖V、 II-IV、 II-VI、 IV-VI、 III-V族材料。光敏納米顆粒的實例包括但不限于Si、 Ge、 CdSe、 PbSe、 ZnSe、 CdTe、 CdS、 PbS中的任何一個或多個。納米顆粒的尺寸可以變化(例 如2到10 nm)以獲得帶隙范圍。這些納米顆??梢酝ㄟ^現(xiàn)有技術(shù)中已知 的方法制備。納米顆??梢酝ㄟ^現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法來功能化。功能基團 可以包括羧基(carboxylic ) ( -COOH )、氨基(amine ) ( -NH2 )、膦酸基 (phosfonate ) ( -P04 )、磺酸基(sulfonate ) ( -HS03 )、氨基乙硫醇基 (aminoethanethiol)等。導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)可以由碳納米管(SWCNT)、 1102納 米管或ZnO納米線制成。
導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)可以被功能化以便于光敏納米顆粒附著在導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu) 的表面上。在一些實施例中,光敏納米顆粒的納米復(fù)合材料層2940附在導(dǎo) 電納米結(jié)構(gòu)上并分散在諸如PVK或P3HT的高遷移率聚合物中。諸如并五 苯的高遷移率聚合物前驅(qū)體可以通過旋涂或其他已知的溶液加工技術(shù)而沉 積在ITO涂覆的玻璃襯底上。該層可以是一個單層或多個單層。納米復(fù)合材 料層2940中的前驅(qū)體的聚合是通過將膜加熱到適當(dāng)溫度以使并五苯前驅(qū)體 開始聚合。如果使用UV聚合的前驅(qū)體,則聚合可以通過從ITO側(cè)2920將 膜暴露于UV來實現(xiàn)。該光伏裝置可以通過使用圖32所示的工藝流程來制 造。根據(jù)本實施例建立的光伏裝置被期望具有高的效率。在該裝置中,電子 空穴對在太陽光被納米顆粒吸收時產(chǎn)生,并且產(chǎn)生的電子被導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)和 高遷移率聚合物并五苯快速輸運到陰極并收集。電子從由納米顆粒產(chǎn)生的電 子空穴對的這種快速除去消除了通常在基于納米顆粒的光伏裝置中觀察到 的電子空穴復(fù)合的可能性。
在另 一實施例中,可以在ITO 2920和納米復(fù)合材料層2940之間使用空 穴注入/輸運界面層或緩沖層2930。可選地,可以在金屬層2960和納米復(fù)合 材料層2940之間使用電子注入/輸運界面層2950。
圖30示出納米復(fù)合材料光伏裝置的又進一步實施例。該光伏裝置的建 立可以通過在涂覆有諸如ITO的透明導(dǎo)體3020的玻璃襯底3010上,涂覆 包含光敏納米顆粒和分散在諸如并五苯的高遷移率聚合物前驅(qū)體中的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)的薄層的納米復(fù)合材料3040,隨后沉積陰極金屬層3060。光敏納
米顆??梢杂蒳v、 n-iv、 n-vi、 iv-vi、 m-v族材料制成。光敏納米顆粒的
實例包括Si、 Ge、 CdSe、 PbSe、 ZnSe、 CdTe、 CdS、 PbS。納米顆粒的尺寸 可以變化(例如2到10 nm)以獲得帶隙范圍。這些納米顆粒可以根據(jù)現(xiàn) 有技術(shù)中已知的方法制備。納米顆粒可以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法來功能 化。功能基團可以包括羧基(carboxylic ) (-COOH )、氨基(amine ) (-NH2 )、 膦酸基(phosfonate) (-P04 )、磺酸基(sulfonate) (-HS03 )、氨基乙硫醇基 (aminoethanethiol)等。導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)可以由碳納米管(SWCNT)、 1102納 米管或ZnO納米線制成。導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)可以被功能化以便于其分散在高遷 移率聚合物前驅(qū)體中。光敏納米顆粒和分散在諸如并五苯的高遷移率聚合物 前驅(qū)體中的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料層3040可以通過旋涂或其他已知 的溶液加工技術(shù)沉積在ITO涂覆的玻璃襯底上。該層可以是一個單層或多個 單層。納米復(fù)合材料層3040中的前驅(qū)體的聚合是通過將膜加熱到適當(dāng)溫度 以使前驅(qū)體開始聚合。如果使用UV聚合的前驅(qū)體,則聚合可以通過從ITO 側(cè)3020將膜暴露于UV來實現(xiàn)。根據(jù)本實施例建立的光伏裝置被期望具有 高的效率。在該裝置中,電子空穴對在太陽光^^皮納米顆粒吸收時產(chǎn)生,并且 產(chǎn)生的電子被導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)和諸如并五苯的高遷移率聚合物快速輸運到陰 極并收集。電子從由納米顆粒產(chǎn)生的電子空穴對的這種快速除去消除了通常 在基于納米顆粒的光伏裝置中觀察到的電子空穴復(fù)合的可能性。在一些實施 例中,可以在ITO 3020和納米復(fù)合材料層3040之間使用空穴注入/輸運界面 層或緩沖層3030。可選地,可以在金屬層3060和納米復(fù)合材料層3040之間 使用電子注入/輸運界面層3050。
圖31描繪了納米復(fù)合材料光伏裝置的又一實施例。該光伏裝置的建立 可以通過在涂覆有諸如ITO的透明導(dǎo)體3120的玻璃襯底3110上,涂覆包 括光每丈納米顆粒和分散在諸如PVK或P3HT的高遷移率聚合物和諸如并五 苯的高遷移率聚合物前驅(qū)體3140中的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料層 3140,隨后沉積陰極金屬層3160。光敏納米顆粒可以由IV、 II-IV、 II-VI、 IV-VI、 ni-V族材料制成。光敏納米顆粒的實例包括Si、 Ge、 CdSe、 PbSe、 ZnSe、 CdTe、 CdS、 PbS。納米顆粒的尺寸可以變化(例如2到10nm)以 獲得帶隙范圍。這些納米顆??梢愿鶕?jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法制備。納米顆 ??梢愿鶕?jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法來功能化。功能基團可以包括羧基(carboxylic ) (-COOH )、氨基(amine ) (-NH2 )、膦酸基(phosfonate ) (-P04 )、 磺酸基(sulfonate ) (-HS03 )、氨基乙硫醇基(aminoethanethiol)等。導(dǎo)電納 米結(jié)構(gòu)可以由^f灰納米管(SWCNT)、 Ti02納米管或ZnO納米線制成。導(dǎo)電
體中。光敏納米顆粒和分散在諸如PVK或P3HT的高遷移率聚合物和諸如 并五苯的高遷移率聚合物前驅(qū)體中的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料層3140 可以通過旋涂或其他已知的溶液加工4支術(shù)沉積在ITO涂覆的玻璃襯底上。該 層可以是一個單層或多個單層。納米復(fù)合材料層3140中的前驅(qū)體的聚合是 通過將膜加熱到適當(dāng)溫度以使并五苯前驅(qū)體開始聚合。如果使用UV聚合的 前驅(qū)體,則聚合可以通過從ITO側(cè)將膜暴露于UV來實現(xiàn)。圖31所示的光 伏裝置可以通過使用圖32所示的方法步驟來制造。根據(jù)本實施例建立的光 伏裝置被期望具有高的效率。在該裝置中,電子空穴對在太陽光被納米顆粒 吸收時產(chǎn)生,并且產(chǎn)生的電子被導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)和高遷移率聚合物并五苯快速 輸運到陰極并收集。電子從由納米顆粒產(chǎn)生的電子空穴對的這種快速除去消 除了通常在基于納米顆粒的光伏裝置中觀察到的電子空穴復(fù)合的可能性。
在圖31所示的本實施例的變種中,可以在ITO 3120和納米復(fù)合材料層 3140之間使用空穴注入/輸運界面層或緩沖層3130。可選地,可以在金屬層 3160和納米復(fù)合材料層3140之間使用電子注入/輸運界面層3150。
以上實施例是應(yīng)用本發(fā)明的一些實例。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解,在 以上實施例中可以使用諸如氧化鋅、氧化錫、氧化銦錫、氧化銦鋅的其他透 明導(dǎo)電材料。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解,光敏納米顆??梢跃哂懈鞣N形 狀——點、棒、雙腳、多腳、線等。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解,可以用其 他導(dǎo)電納米管材料來代替實施例中所描述的碳納米管、Ti02和ZnO納米管。 任何本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解,可以用其他熱固化或輻射固化前驅(qū)體來代替并 五苯前驅(qū)體。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解,可以用其他導(dǎo)電聚合物來代替 PVK、 P3HT和PEDOT。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解,可以用導(dǎo)電和非導(dǎo)電 聚合物的混合物來代替實施例中描述的導(dǎo)電聚合物PVK、 P3HT和PEDOT。
圖32示出可以用來制備根據(jù)本發(fā)明一些實施例的光伏裝置的方法的一 個實施例。具體地,在步驟3210,襯底被ITO涂覆。在步驟3220,可選在 ITO涂覆的襯底的頂上沉積緩沖層。隨后在步驟3240,該裝置經(jīng)歷溶液涂覆。 在步驟3230,溶液可選包含光^:納米顆粒、聚合物前驅(qū)體和聚合物。在步驟3250,可選在溶液涂覆之后沉積緩沖層。隨后在步驟3260,沉積金屬,最后 在步驟3270,前驅(qū)體聚合。聚合可以通過熱或UV暴露而發(fā)生。
前面對本發(fā)明具體實施例和最優(yōu)模式的描述僅是出于說明和描述的目 的。并不試圖使其是窮舉性的或者將本發(fā)明限制為所公開的精確的形式。本 發(fā)明的具體特征在一些圖中示出而沒有在其他的中示出,這僅是出于方便的 目的,根據(jù)本發(fā)明的任何特征都可以與其他特征相結(jié)合。所描述的工藝的步 驟可以被記錄或者組合,并可以包括其他步驟。選擇和描述實施例是為了最 好地解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用,從而使得其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能最好 地使用本發(fā)明,并且具有各種修改的各種實施例也都適合于所考慮的特別應(yīng) 用。本發(fā)明的進一步變化根據(jù)本公開而對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是明顯的,并 且可以預(yù)期此種變化落在所附權(quán)利要求及其等價物的范圍內(nèi)。以上引用的公 開的全部內(nèi)容在此結(jié)合作為參考。
本發(fā)明要求2006年二月13日提出的題為"Solar Cells Integrated With IR and UV Absorbing Nanoparticle Layers"的美國臨時專利申i青序列號 60/772548,以及2006年五月2日提出的題為"Nanocomposite Solar Cell" 的美國臨時專利申請序列號60/796820的利益和優(yōu)先權(quán),其公開的全部內(nèi)容 在此引作參考。
權(quán)利要求
1、一種光伏裝置,包括第一光活層,包括表現(xiàn)出基本在太陽光譜的可見區(qū)中吸收輻射的半導(dǎo)體材料;第二光活層,包括表現(xiàn)出基本在太陽光譜的IR區(qū)中吸收輻射的納米結(jié)構(gòu)材料;以及復(fù)合層,設(shè)置在所述第一和第二層之間,并構(gòu)造成促進所述第一和第二層之間的電荷輸運。
2、 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置,其中所述納米結(jié)構(gòu)材料是包括空穴 導(dǎo)電或電子導(dǎo)電聚合物及補充納米顆粒的納米復(fù)合材料。
3、 如權(quán)利要求2所述的光伏裝置,其中所述復(fù)合層是包括傳導(dǎo)與所述 導(dǎo)電聚合物相反電荷的材料的摻雜層。
4、 如權(quán)利要求2所述的光伏裝置,其中所述復(fù)合層是包括傳導(dǎo)與所述 納米顆粒相反電荷的材料的摻雜層。
5、 如權(quán)利要求2所述的光伏裝置,其中所述復(fù)合層進一步包括耦合到 摻雜層的金屬層。
6、 如權(quán)利要求2所述的光伏裝置,其中所述復(fù)合層進一步包括耦合到 摻雜層的絕緣層。
7、 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置,其中所述納米結(jié)構(gòu)材料包括半導(dǎo)體 點、棒或多腳中任一個或多個。
8、 如權(quán)利要求2所述的光伏裝置,其中所述納米復(fù)合材料包括分散在 聚合物中的 一種或多種納米顆粒。
9、 如權(quán)利要求7所述的光伏裝置,其中所述一種或多種納米顆粒包括 PbSe、 PbS、 CdHgTe、 Si或SiGe中任一個或多個。
10、 如權(quán)利要求8所述的光伏裝置,其中所述一種或多種納米顆粒包括 PbSe、 PbS、 CdHgTe、 Si或SiGe中任一個或多個。
11、 如權(quán)利要求8所述的光伏裝置,其中所述聚合物包括P3HT、并五 苯或MEH-PPV中任一個或多個。
12、 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置,其中所述納米結(jié)構(gòu)材料包括光敏納 米顆粒和導(dǎo)電納米顆粒的混合物。
13、 如權(quán)利要求12所述的光伏裝置,其中所述光每丈和導(dǎo)電納米顆粒之 一被功能化,或者所述光敏和導(dǎo)電納米顆粒都被功能化。
14、 如權(quán)利要求12所述的光伏裝置,其中所述導(dǎo)電納米顆粒包括單壁 ^暖納米管(SWCNT)、 Ti02納米管或ZnO納米線中任一個或多個。
15、 如權(quán)利要求12所述的光伏裝置,其中所述光^:納米顆粒包括CdSe、 ZnSe、 PbSe、 InP、 Si、 Ge、 SiGe或III-V族材料中任一個或多個。
16、 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置,其中所述第二層包括分散在空穴導(dǎo) 電聚合物中的一種或多種無機納米顆粒,并且所述復(fù)合層進一步包括N+4參雜層;和耦合到所述N+摻雜層的金屬層。
17、 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置,其中所述第一光活層包括非晶硅、 單晶硅、多晶硅、微晶硅、納晶硅、CdTe、 二硒化銅銦鎵(CIGS )或III-V 族半導(dǎo)體材料中任一個。
18、 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置,其中所述第一光活層包括空穴導(dǎo)電 或電子導(dǎo)電的有機材料。
19、 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置,其中所述第一光活層包括P3HT、 P30T、 MEH-PPV、 PCBM、 CuPe、 PCTBI或C60中任一個或多個。
20、 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置,其中所述第 一光活層包括P-I-N半 導(dǎo)體或P-N半導(dǎo)體。
21、 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置,其中所述第一光活層包括多層,每 一層都被構(gòu)造成吸收可見光鐠的特定范圍。
22、 如權(quán)利要求21所述的光伏裝置,進一步包括設(shè)置在一個或多個 所述多層之間的一個或多個復(fù)合層,所述復(fù)合層被構(gòu)造成促進電荷跨過所述 多層輸運。
23、 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置,其中所述第二光活層包括多層,每 一層都被構(gòu)造成吸收IR光譜的特定范圍。
24、 如權(quán)利要求23所述的光伏裝置,進一步包括設(shè)置在一個或多個 所述多層之間的一個或多個復(fù)合層,所述復(fù)合層被構(gòu)造成促進電荷;夸過所述 多層輸運。
25、 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置,進一步包括頂光活層,設(shè)置在所 述第一光活層之上,所述頂光活層包括表現(xiàn)出基本在太陽光譜的UV區(qū)中吸收輻射的材料。
26、 如權(quán)利要求25所述的光伏裝置,進一步包括第二復(fù)合層,設(shè)置在 所述第一層和頂層之間,并被構(gòu)造成促進所述頂層和第一層之間的電荷輸 運。
27、 如權(quán)利要求25所述的光伏裝置,其中所述頂光活層包括一種或多 種納米顆粒。
28、 如權(quán)利要求25所述的光伏裝置,其中所述頂光活層包括分散在聚 合物基體中的 一種或多種納米顆粒。
29、 如權(quán)利要求28所述的光伏裝置,其中所述一種或多種納米顆粒包 括ZnSe或CdZnTe中任一個或多個。
30、 一種光伏裝置,包括 第一光活層;頂光活層,設(shè)置在所述第一層之上,所述頂光活層包括表現(xiàn)出比所述第 一層的帶隙大的帶隙的材料;以及底光活層,設(shè)置在所述第一層之下,所述底光活層包括表現(xiàn)出比所述第 一層的帶隙小的帶隙的材料。
31、 如權(quán)利要求30所述的光伏裝置,其中所述頂光活層表現(xiàn)出2 ev和 更大的帶隙。
32、 如權(quán)利要求30所述的光伏裝置,其中所述底光活層表現(xiàn)出1.2 ev 和更小的帶隙。
33、 一種光伏裝置,包括第一光活層,包括表現(xiàn)出基本在太陽光譜的可見區(qū)中吸收輻射的半導(dǎo)體 材料;頂光活層,包括表現(xiàn)出基本在太陽光i普的UV區(qū)中吸收輻射的一種或多 種納米顆粒;以及復(fù)合層,設(shè)置在所述第一層和頂層之間,并構(gòu)造成促進所述第一層和頂 層之間的電4肯1#運。
34、 如權(quán)利要求33所述的光伏裝置,其中所述復(fù)合層包括P+摻雜層。
35、 如權(quán)利要求33所述的光伏裝置,其中所述第一光活層包括P-I-N半 導(dǎo)體。
36、 如權(quán)利要求33所述的光伏裝置,其中所述一種或多種納米顆粒分散在聚合物基體中。
37、 一種光伏裝置,包括第 一光活層,包括表現(xiàn)出基本在太陽光譜的可見區(qū)中吸收輻射的半導(dǎo)體 材料;頂光活層,包括表現(xiàn)出基本在太陽光譜的uv區(qū)中吸收輻射的納米結(jié)構(gòu) 材料;復(fù)合層,設(shè)置在所述第一層和頂層之間,并構(gòu)造成促進所述第一層和頂 層之間的電荷輸運;底光活層,包括表現(xiàn)出基本在太陽光譜的IR區(qū)中吸收輻射的納米結(jié)構(gòu) 材料;以及第二復(fù)合層,設(shè)置在所述第一層和底層之間,并構(gòu)造成促進所述第一層 和底層之間的電荷輸運。
全文摘要
提供光伏裝置或太陽能電池。本發(fā)明特別提供具有增加太陽能電池效率的IR和/或UV吸收納米結(jié)構(gòu)層的光伏裝置。在一些實施例中,納米結(jié)構(gòu)材料與主要在可見區(qū)中吸收的晶態(tài)硅(單晶或多晶)太陽能電池和薄膜(非晶硅、宏晶硅、CdTe、CIGS和III-V材料)太陽能電池中的一個或多個集成。在一些實施例中,納米顆粒材料包括各種尺寸的量子點、棒或多腳。
文檔編號B05D5/12GK101421051SQ200780013018
公開日2009年4月29日 申請日期2007年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月13日
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