專利名稱：分子光電系統(tǒng)、其制造方法以及由它們制得的制品的制作方法
發(fā)明的背景本公開涉及分子光電系統(tǒng)、其制造方法以及由它們制得的制品。
光電系統(tǒng)包括將光轉(zhuǎn)化為電的各種應(yīng)用，公知的光電系統(tǒng)是“太陽能電池”，其名稱就是指它能夠?qū)⑻柟廪D(zhuǎn)化為電，光電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能與其它的發(fā)電系統(tǒng)相比有許多優(yōu)點，所述的優(yōu)點是低的操作成本、高的可靠性、模件性、低的建設(shè)成本和環(huán)境利益。
太陽能電池通過利用存在于半導(dǎo)體結(jié)中的光電效應(yīng)將光轉(zhuǎn)化為電，因此太陽能電池通常包括產(chǎn)生電流的半導(dǎo)體層，半導(dǎo)體層吸收進來的光產(chǎn)生激發(fā)電子，除了半導(dǎo)體層以外，太陽能電池通常包括玻璃罩或其它密封劑、抗反射層、允許電子進入回路的前接觸基底以及當(dāng)由于暴露于光激發(fā)的電子射入半導(dǎo)體層時使電子完成回路的后接觸基底。
近年來在開發(fā)有機和無機-有機混合太陽能電池方面有很大進步，這種類型的太陽能電池的優(yōu)點是制造成本相對低，一種低成本的太陽能電池是染料敏化的太陽能電池。染料敏化的太陽能電池通常使用有機染料吸收進來的光線產(chǎn)生激發(fā)電子，染料敏化的太陽能電池通常包括以夾層結(jié)構(gòu)排列的兩個平面的導(dǎo)電基底，涂覆了染料的半導(dǎo)體膜分開兩個基底，半導(dǎo)體膜是多孔的，具有足夠的表面積，因此能夠使足夠的染料在其表面貼附形成分子單層，有利于有效地吸收光線。半導(dǎo)體膜(其作用像海綿)中基底和孔度之間的其余空間用含有氧化/還原對如三碘化物/碘化物的有機電解質(zhì)溶液填充。
但是染料敏化的膜存在某些技術(shù)缺陷，其一是大的遷移距離產(chǎn)生電子的實質(zhì)性的重新結(jié)合或逆反應(yīng)，這是由于光產(chǎn)生的電子必須以“隨機走動”的方式通過半導(dǎo)體膜遷移，通過膜的臨近顆粒達到一個基底。當(dāng)射入空穴傳送劑的空穴接觸已經(jīng)射入空穴傳送劑的電子時會發(fā)生逆反應(yīng)，當(dāng)已經(jīng)從染料射出的電子和氧化的吸收劑再結(jié)合時會發(fā)生再結(jié)合反應(yīng)。
而且通過射出電子形成的氧化的染料通常通過來自光電池的還原物種的電子轉(zhuǎn)移被還原，還原物種通常存在于電解質(zhì)中，又會轉(zhuǎn)變?yōu)殡娊赓|(zhì)中的氧化物種(在放棄電子以后)。氧化物種必須通過相同長且曲折的擴散路徑遷移到對面的基底，氧化物種通過接收來自基底的電子被還原，由此完成電流回路。
在電子向基底隨機走動期間，電子可能移動很長的距離，而且由于和電解質(zhì)溶液的成分結(jié)合電子會損失，這被稱為“再結(jié)合”。在陽光照射的情況下，半導(dǎo)體中的電子密度可能會很高，以至上述損失嚴重地降低了最高電壓，因此降低了太陽能電池的效率。減少電子遷移距離的一個技術(shù)措施是減少半導(dǎo)體膜的厚度，因此可以減少電子移動達到基底的距離，但不利的是減少半導(dǎo)體膜的厚度會由于減少染料的涂覆量而減少光的吸收，因此降低了太陽能電池的效率。
目前的染料敏化的太陽能電池的另一技術(shù)缺陷是由隨機摻入的納米顆粒組成的TiO2膜的低的導(dǎo)電性，TiO2膜通常在太陽能電池中作為電子傳送劑，另外在太陽能電池(光電電池)中很難將TiO2電子傳送劑的內(nèi)表面面積最大化，以便大量涂覆染料。
通過縮短電子遷移路徑和由此減少電子擴散到基底的時間，同時在同樣時間減少空穴到另一基底的轉(zhuǎn)移距離來減少再結(jié)合或逆反應(yīng)是有利的，因此希望開發(fā)減少電荷轉(zhuǎn)移距離和降低或防止再結(jié)合或逆反應(yīng)的太陽能電池或光電池，并且希望能夠容易地大量生產(chǎn)。
發(fā)明概述本發(fā)明公開的光電池包括能夠吸收電磁輻射吸收劑；包括第一導(dǎo)電表面的第一基底；包括第二導(dǎo)電表面的第二基底，第二導(dǎo)電表面和第一導(dǎo)電表面相對，并且面對著第一基底的第一導(dǎo)電表面；電子傳送劑，它和第二基底的第二導(dǎo)電表面進行電傳遞，但是和第一基底是電絕緣的；空穴傳送劑，它和第一基底的第一導(dǎo)電表面進行電傳遞，但是和第二基底是絕緣的，其中空穴傳送劑和/或電子傳送劑化學(xué)鍵合到電絕緣殼層上，并且空穴傳送劑和/或電子傳送劑化學(xué)鍵合到吸收劑上。
本發(fā)明公開的光電池包括包括第一模型化的導(dǎo)電表面的第一基底；包括第二模型化的導(dǎo)電表面的第二基底，第二導(dǎo)電表面和第一導(dǎo)電表面相對，并且面對著第一基底的第一導(dǎo)電表面；電子傳送劑，它和第二基底的第二導(dǎo)電表面進行電傳遞，但是和第一基底是電絕緣的；空穴傳送劑，它和第一基底的第一導(dǎo)電表面進行電傳遞，但是和第二基底是絕緣的；以及位于電子傳送劑和空穴傳送劑之間的吸收劑，其中的吸收劑能夠吸收電磁輻射。
本發(fā)明公開的光電池包括包括能夠?qū)㈦娮觽魉偷降诙椎牡谝还逃袑?dǎo)電聚合物的圓柱體；能夠?qū)?dǎo)電空穴傳送到第一基底的基體，其中基體是光學(xué)透明的，并且圍繞著圓柱體，但是不和它電連通；位于圓柱體和基體之間并且與圓柱體和基體緊密接觸的殼層，其中殼層包括電絕緣分子，并且至少為單層厚；化學(xué)鍵合到第一固有導(dǎo)電聚合物上的吸收劑，并且以能夠和圓柱體電連通的方式處于圓柱體和基體之間，但是對基體是電絕緣的；并且其中吸收劑能夠吸收波長約300到約1100波長的電磁輻射，以及其中的第一基底和第二基底彼此之間電連通的。
本發(fā)明公開的光電組合物包括非強制地與電絕緣分子鍵合的電子傳送分子、非強制地與電絕緣分子鍵合的空穴傳送分子、能夠吸收電磁輻射的吸收劑，其中吸收劑化學(xué)鍵合到電子傳送分子和空穴傳送分子。
本發(fā)明還公開了制造光電池的方法，包括混合含有能夠吸收電磁輻射的吸收劑、電子傳送劑和/或空穴傳送劑以及電絕緣分子的組合物，并且在基底上沉積所述的組合物。
附圖的簡要說明

圖1是光電池的一個實施方案的圖解描述，其中電磁能入射到結(jié)合到電子傳送劑和空穴傳送劑的吸收分子上，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br> 圖2是光電池的一個實施方案的圖解描述，其中電子傳送劑和空穴傳送劑形成互相貫通的結(jié)構(gòu)。
圖3是光電池的一個實施方案的圖解描述，其中自裝配的方法促進了電子傳送劑和空穴傳送劑的相分離，分離為至少具有一個分子數(shù)量級尺寸的多個相。
圖4是光電池的一個實施方案的圖解描述，其中電子傳送聚合物的端基基團被設(shè)計成結(jié)合每個基底，并且其中的電子傳送聚合物被包封為纖維形式。
發(fā)明的詳細說明應(yīng)該注意本發(fā)明使用的術(shù)語“第一”，“第二”等不是指任何順序或并不重要，而是用于元件之間彼此區(qū)別；術(shù)語“一”和“一個”不是限制數(shù)量，而寧愿指示至少一個相關(guān)元件的存在，而且本發(fā)明公開的所有范圍包括邊界點并且是可獨立結(jié)合的。
參照圖1中的示例性的實施方案，光電池10至少包括一對叉指式指狀物12和14，它們分別包括空穴傳送劑和電子傳送劑，電絕緣殼層16和空穴傳送指狀物12及電子傳送指狀物14彼此絕緣。吸收劑18化學(xué)鍵合到電子傳送指狀物和空穴傳送指狀物，兩個基底和任何一個叉指式指狀物進行電傳遞，每個基底至少有一個和叉指式指狀進行電傳遞的導(dǎo)電表面，基底的導(dǎo)電表面作為電極。第一基底20包括和空穴傳送指狀物12進行電傳遞的第一表面，而第二基底22包括和電子傳送指狀物14進行電傳遞的第二表面，每個基底的第一和第二表面彼此相對并且面對面，空穴傳送指狀物12及電子傳送指狀物14，電絕緣殼層16和吸收分子18處于第一基底20的第一表面和第二基底22的第二表面之間。
在一個實施方案中，空穴傳送指狀物12、電子傳送指狀物14和/或電絕緣殼層16至少有分子大小的一個尺寸。通過使用分子尺寸的電絕緣殼層及空穴傳送劑和電子傳送指狀物，電子的重新結(jié)合和逆反應(yīng)可以降低，因此提高了光電池的效率。另外通過自裝配制造的光電池是隨機或有序的納米結(jié)構(gòu)，自裝配提供了高的內(nèi)表面及最小的電荷傳遞距離以及最小的結(jié)合或逆反應(yīng)。
在一個實施方案中，光電池通過自裝配光電池組合物而形成。光電池組合物包括電子傳送劑、空穴傳送劑和吸收劑，它們?nèi)急舜嘶瘜W(xué)鍵合。在另一實施方案中，光電池組合物包括電子傳送劑、空穴傳送劑、絕緣分子和吸收劑，它們?nèi)急舜嘶瘜W(xué)鍵合。光電池組合物自裝配成叉指式指狀物，然后形成光電池。
叉指式指狀物12和14包括包括電子傳送劑或空穴傳送劑交替的相，包括電子傳送劑的相通過電絕緣殼層16與包括空穴傳送劑的相分離。兩個叉指式指狀物都有第一端點和第二端點，僅僅任何叉指式指狀物的一個端點(第一端點或第二端點)在任何給定時間與基底的導(dǎo)電表面進行電傳遞。例如當(dāng)包括電子傳送劑的叉指式指狀物的第一端點和第二基底進行電傳遞時，第二端點和第一基底是電絕緣的。類似地在同一時間，當(dāng)包括空穴傳送劑的叉指式指狀物的第一端點和第一基底進行電傳遞時，第二端點和第二基底是電絕緣的。在一個實施方案中，叉指式指狀物能夠化學(xué)鍵合到基底上，在另一實施方案中，叉指式指狀物處于基底上，沒有和它們化學(xué)鍵合。
叉指式指狀物可以形成有序的或隨機的結(jié)構(gòu)，隨機結(jié)構(gòu)的實例包括互相貫通的結(jié)構(gòu)，例如互相貫通的網(wǎng)、雙連續(xù)的結(jié)構(gòu)等，或包括至少一個上述結(jié)構(gòu)的組合；隨機結(jié)構(gòu)的實例包括薄片結(jié)構(gòu)、層結(jié)構(gòu)、封閉的填充結(jié)構(gòu)等，或包括至少一個上述結(jié)構(gòu)的組合。
圖2表示包括電子傳送劑和空穴傳送劑形成互相貫通結(jié)構(gòu)的叉指式指狀物。在圖2中電子傳送指狀物14和第二基底22進行電傳遞，而空穴傳送指狀物12和第一基底20進行電傳遞；電子傳送指狀物14不和第一基底20進行電傳遞，而空穴傳送指狀物12不和第二基底22進行電傳遞。電子傳送指狀物14和/或空穴傳送指狀物12和殼層16是電絕緣的。吸收劑18化學(xué)鍵合到電子傳送指狀物14和/或空穴傳送指狀物12，吸收劑通常化學(xué)鍵合到電子傳送劑和空穴傳送劑。
再參照圖1的光電池10，當(dāng)光沖擊吸收劑分子18時，它吸收短波或長波紅外輻射，并且射出電子。如圖1所示，電子射入到電子傳送指狀物14，并且遷移到第二基底22；同時空穴射入到空穴傳送指狀物12，并且遷移到第一基底20。然后電子通過外電路24遷移，并且和空穴再結(jié)合產(chǎn)生電流。外電路24與和基底進行電傳遞的元件有關(guān)，但是所述元件不和光電池的內(nèi)部成分進行電傳遞，這些成分例如是吸收劑分子、電子和空穴傳送劑、絕緣分子、電荷分離劑或摻雜物。
在圖3的光電池10的另一實施方案中，叉指式指狀物(例如空穴傳送指狀物12或電子傳送指狀物14)的第一端點和第一基底20和/或第二基底22接觸，而第二端點(它對著第一端點)通過自裝配單層阻止與基底進行電傳遞。如圖3所示，空穴傳送指狀物12有處在絕緣自裝配單層28(SAM)的第一端點26，自裝配單層28排列在二基底22的第二表面上，并且和它緊密接觸，空穴傳送指狀物12的第二端點30處于第一端點26的對面，第二端點30排列在第一基底20的第一表面上，并且和它進行電傳遞。
以類似的方式，電子傳送指狀物14具有和第二基底22的第二表面進行電傳遞的第一端點32，第一端點34有自裝配單層36，防止電子傳送指狀物14和第一基底20進行電傳遞，自裝配單層26和36通常是電絕緣的，第一基底20和/或第二基底22的導(dǎo)電表面可以從導(dǎo)電納米金屬線制造。在另一實施方案中，自裝配單層可以在第一基底20和第二基底22上化學(xué)鍵合到納米金屬線。在另一實施方案中，第一基底和第二基底的第一和第二導(dǎo)電表面可以從導(dǎo)電金屬、半導(dǎo)體或固有的導(dǎo)電聚合物制造。
在如圖4的另一實施方案中，光電池10包括至少一個互相貫通的纖維形式的相，如圖4所示，電子傳送指狀物14由纖維形成，纖維包括活性基團38，它以共價鍵結(jié)合到第二基底22上，化學(xué)基團38促進了將指狀物14定位在第二基底22上。光電池的這些基底因為第一基底20或第二基底22，或者它們兩者是被模型化而存在，以便僅僅能夠接觸化學(xué)鍵合到電子傳送劑或空穴傳送劑上的化學(xué)基團38。作為這種模型化的結(jié)果，第一批選擇反應(yīng)出現(xiàn)在電子傳送劑和第二基底之間，而第二批選擇反應(yīng)可能出現(xiàn)在空穴傳送劑和第一基底之間。這些選擇反應(yīng)允許纖維上所需的位點和一個基底上所需的位點之間接觸，而阻止纖維的其余位點和對面的基底上的位點接觸。
如上所述光電池有利地通過光電組合物的自裝配形成。光電組合物有利地包括利用過程的分子，包括自裝配-自裝配到具有幾何形狀的層中，并且其厚度有效地足以吸收光線，同時將激發(fā)子傳遞的距離縮短到小于或等于約100納米(nm)，并且促進了電荷轉(zhuǎn)移。自裝配過程產(chǎn)生相分離，產(chǎn)生至少一個叉指式指狀物。叉指式指狀物有大于或等于約1的形狀比例，并且沿著其表面的任何點和另一指狀物直接或間接地有實實在在的接觸。直接的接觸是其中一個叉指式指狀物沿著其表面的任何點實實在在地接觸另一叉指式指狀物。例如電子傳送指狀物可以在空穴傳送指狀物表面上的任何點直接接觸空穴傳送指狀物；間接接觸是其中一個叉指式指狀物接觸另一物質(zhì)或?qū)?，其中物質(zhì)或?qū)雍土硪徊嬷甘街笭钗锝佑|，例如電子傳送指狀物可以通過電絕緣殼層間接地接觸空穴傳送指狀物。
在一個實施方案中，叉指式指狀物包括交替的相，后者包括電子傳送劑或空穴傳送劑。叉指式指狀物通常有大于其它尺寸的長度，叉指式指狀物可以有具有任何幾何形狀的橫截面的面積。在一個實施方案中，叉指式指狀物有具有長方形和/或方形的橫截面的面積，并且指狀物以層的形式被排列。這種層通常是所謂的薄片。在另一實施方案中，至少一個叉指式指狀物有園形的截面。在這種情況下自裝配過程可以產(chǎn)生包括封閉填充的圓柱體的排列，圓柱體的叉指式指狀物被基體圍繞。假如圓柱體指狀物包括電子傳送劑，則基體包括空穴傳送劑，或者相反。叉指式指狀物的一個合適的截面的幾何形狀是三角形、多邊形、管形(同軸回路)等，或者至少是上述之一的組合。
如上所述，叉指式指狀物至少有一個分子尺寸，通過減少相對于分子尺寸的相的大小，提高了光電池的效率，減少了電子與外回路24外的空穴的再結(jié)合或逆反應(yīng)，對于空穴傳送指狀物或電子傳送指狀物來說，希望有至少有一個大于或等于約2納米的尺寸。在一個實施方案中，對于空穴傳送指狀物或電子傳送指狀物來說，希望有至少一個大于或等于約3納米的尺寸。在另一實施方案中，對于空穴傳送指狀物或電子傳送指狀物，希望有至少一個大于或等于約5納米的尺寸。對于空穴傳送指狀物或電子傳送指狀物，通常希望有至少一個小于或等于約100納米的尺寸。在一個實施方案中，對于空穴傳送指狀物或電子傳送劑指狀物，通常希望有至少一個小于或等于約75納米的尺寸。在另一實施方案中，對于空穴傳送指狀物或電子傳送劑指狀物，通常希望有至少一個小于或等于約50納米的尺寸。
光電池組合物包括吸收劑，后者化學(xué)鍵合到電子傳送劑和/或空穴傳送劑，吸收劑可以是極化的分子，即它能夠從任何波長的電磁波譜中吸收電磁能，并且射出電子。射出的電子遷移到電子傳送劑?；瘜W(xué)鍵合可以是共價鍵結(jié)合、離子鍵結(jié)合、氫鍵結(jié)合或任何其它形式的結(jié)合。吸收劑包括吸收分子和電荷隔離劑。電荷隔離劑的作用是減少電子從電子傳送劑到吸收劑返回的速度。
電荷隔離劑是鍵合到吸收劑的分子部分，有以下特征電荷隔離劑是還原劑，在吸收劑射出電子進入到電子傳送劑以后，它能夠?qū)㈦娮犹峁┙o氧化的吸收劑，因此電荷隔離劑的最高占有軌道(HOMO)的能量比吸收劑的HOMO更高，高出約100毫電子伏特(meV)或更高。電荷隔離劑能夠迅速傳遞電子，致使氧化的染料分子沒有時間和電子傳送劑中的電子再結(jié)合，在電子從電荷隔離劑轉(zhuǎn)移到吸收劑以后，電荷隔離劑處于氧化狀態(tài)，該氧化狀態(tài)能夠從空穴傳送劑的還原劑中接受電子，其速度比可能發(fā)生的其它反應(yīng)快。為了從空穴傳送劑接收電子，電荷隔離劑的HOMO必須比空穴傳送劑的HOMO能量低，換句話說，電荷隔離劑的還原潛能可能比空穴傳送劑的更大，在某些情況下約為100meV或更大。
在一個實施方案中，吸收分子在吸收全部電磁輻射譜以后可以發(fā)射電子。在另一實施方案中，吸收分子包括化學(xué)鍵合于吸收長波紅外的分子的低波長紅外吸收分子，低波長紅外吸收分子吸收波長約300納米到約700納米的輻射，而長波長吸收分子吸收約700到約1100波長的輻射。
吸收分子和電子傳送劑及空穴傳送劑在化學(xué)上不相容是理想的，這樣從溶液鑄出或從熔化狀態(tài)冷卻時，吸收分子從與電子傳送劑及空穴傳送劑相同的相被排除出來。對于自裝配吸收分子處于包括電子傳送劑或空穴傳送劑的相的外表面是理想的，這樣可以促進長波或短波波長的紅外輻射的吸收，對于短波波長和長波波長的吸收分子彼此在化學(xué)上相容，使得它們能夠共同存在于單一相中是理想的。
吸收分子由于吸收能量能夠射出電子，理想的是吸收分子能夠迅速地將電子和空穴射出，吸收分子應(yīng)該能夠防止或減少在外電路24外的再結(jié)合或逆反應(yīng)。另外吸收電子應(yīng)該能夠減少任何副反應(yīng)。
吸收分子可以是有機物、無機-有機物、金屬有機物。在一個實施方案中，吸收分子可以是有機物、無機-有機物、金屬有機物、無機納米物(如光量子，由傳統(tǒng)無機半導(dǎo)體得到的納米顆粒，例如硅氧烷、鈣碲化物(CdTe)、砷化鎵(GaAs))等。有機吸收分子可以是染料或顏料。能夠用于吸收紅外輻射的合適的染料的實例是蒽酮及其衍生物，蒽醌及其衍生物，克酮酸(croconines)及其衍生物，單偶氮，二偶氮，三偶氮及其衍生物，例如有三苯基胺結(jié)構(gòu)的偶氮顏料，有咔唑結(jié)構(gòu)的偶氮顏料，有芴結(jié)構(gòu)的偶氮顏料，有噁二唑結(jié)構(gòu)的偶氮顏料，有雙芪結(jié)構(gòu)的偶氮顏料，有二苯并噻吩結(jié)構(gòu)的偶氮顏料，有二苯乙烯基苯結(jié)構(gòu)的偶氮顏料，有二苯乙烯基咔唑結(jié)構(gòu)的偶氮顏料，有二苯乙烯基噁二唑結(jié)構(gòu)的偶氮顏料，有芪結(jié)構(gòu)的偶氮顏料，有咔唑結(jié)構(gòu)的三偶氮顏料，有蒽酮結(jié)構(gòu)的偶氮顏料，有二苯基多烯結(jié)構(gòu)的二偶氮顏料；苯并咪唑酮及其衍生物；二酮吡咯及其衍生物，二噁嗪及其衍生物，二芳基化物及其衍生物，陰丹酮及其衍生物；異吲哚啉及其衍生物，異吲哚啉酮及其衍生物，萘酚及其衍生物，苝及其衍生物，苝酮及其衍生物如苝酸酐，苝酸酰亞胺；ansanthrones及其衍生物；二苯并芘醌酮及其衍生物，皮蒽酮染料及其衍生物，bioranthorones及其衍生物，異bioranthorones及其衍生物，二苯基甲烷和三苯基甲烷類型的顏料，花箐和二氮甲堿類型的顏料，靛籃類型的顏料，二苯并咪唑類型的顏料，奧鹽(azulenium)，吡喃鎓鹽，硫雜吡喃鎓鹽，苯并吡喃鎓鹽，酞箐及其衍生物，pryanthorones及其衍生物，喹吖啶酮及其衍生物，quinophthalones及其衍生物，squaraines及其衍生物，squarilyiums及其衍生物等，或至少上述一種染料的結(jié)合。
能夠吸收紅外輻射的合適的有機金屬絡(luò)合物的實例是結(jié)晶鈦氧基酞箐，銅酞箐，鋁酞箐，鋅酞箐，α型，β型或Y型氧鈦酞箐，鎳酞箐，鉛酞箐，鈀酞箐，鈷酞箐，羥基鎵酞箐，鉻酞箐，鉻銦酞箐等，或至少一種上述絡(luò)合物的結(jié)合。
理想的是上述吸收分子具有官能團，通過官能團它能夠反應(yīng)和結(jié)合到電子傳送劑或空穴傳送劑，吸收分子在吸收分子和空穴傳送劑之間有隔離劑是理想的。因為射出的電子能夠直接遷移到氧化的吸收分子(它表示為電子傳送劑表面的一個空穴)，理想的是吸收分子有化學(xué)鍵合到吸收分子上的電荷隔離劑，以便防止電子和氧化吸收劑直接再結(jié)合。吸收分子也可以化學(xué)鍵合到電絕緣分子上，以便減少不希望的電子轉(zhuǎn)移，如和空穴傳送劑直接反應(yīng)。絕緣分子防止和/或減少電子和所需電路外的空穴的再結(jié)合，形成絕緣殼層16的絕緣分子防止電子和電路外的空穴的再結(jié)合。
如上所述，理想的是電荷隔離劑促進電子比出現(xiàn)電子和氧化吸收劑再結(jié)合更迅速地從空穴傳送劑流動到吸收劑。電荷隔離劑可以包括電子給予體部分，合適的隔離劑的實例包括取代的酚噻嗪部分，取代的咔唑部分，取代的二苯并苯基烯丙酰苯(chalcophene)部分，取代的三芳基胺，噻吩等。
如上所述，電絕緣分子可以化學(xué)鍵合到吸收分子和/或電子傳送劑和/或空穴傳送劑，以便減少或防止電子和空穴再結(jié)合。這些電絕緣分子通常包括單體，二聚體，三聚體，齊聚物和/或沒有共軛骨架的聚合物，因此它們沒有固有的電導(dǎo)性能。在一個實施方案中，這些電絕緣分子可以是熱塑性聚合物或熱固性聚合物，熱塑性聚合物包括樹枝狀的聚合物、離子聚合物、共聚物如嵌段共聚物、接枝共聚物、隨機共聚物、星型嵌段共聚物等。單體和/或齊聚物對于作為絕緣分子是理想的，電絕緣分子形成電絕緣的殼層，它減少了空穴傳送劑和電子傳送劑之間的電傳遞。絕緣殼層包括部分單層、單層或多層體系。合適的電絕緣分子的實例是非導(dǎo)電無機化合物、無機化合物、非共軛單體、非導(dǎo)電齊聚物和聚合物等?；蛘咧辽偕鲜鲆环N電絕緣分子的組合。電絕緣分子可以形成納米結(jié)構(gòu)如納米顆粒、納米薄片、納米棒等。
可以用作絕緣分子的合適的齊聚物和/或聚合物的實例是聚縮醛，聚脲烷，聚烯烴，聚丙烯酸，聚碳酸酯，聚烷(polyalkyds)，聚苯乙烯，聚酯，聚酰胺，聚芳酰胺，聚酰胺亞胺，聚芳基化合物，聚芳砜，聚醚砜，聚苯硫醚，聚砜，聚酰亞胺，聚醚酰亞胺，聚四氟乙烯，聚醚酮，聚醚醚酮，聚醚酮酮，聚苯并噁唑，聚噁二唑，聚苯并噻唑噻嗪，聚苯并噻唑，聚哌嗪喹喔啉，聚苯四酸酰亞胺，聚喹喔啉，聚苯并咪唑，聚羥吲哚，聚氧異吲哚啉，聚二氧異吲哚啉，聚三嗪，聚噠嗪，聚哌嗪，聚吡啶，聚哌啶，聚三唑，聚吡唑，聚碳硼烷，聚氧雜雙環(huán)壬烷，聚二苯并呋喃，聚酞，聚縮醛，聚酸酐，聚乙烯基醚，聚乙烯基硫醚，聚乙烯醇，聚乙烯酮，聚鹵乙烯，聚乙烯基腈，聚乙烯基酯，聚磺酸酯，聚硫醚，聚硫酯，聚砜，聚砜酰胺，聚脲，聚磷腈，聚硅氮烷，或至少上述一種有機聚合物的結(jié)合。用于制備這些聚合物的單體也用于制備電絕緣殼層。電絕緣納米顆粒也用于電絕緣殼層。
如上所述，用作制備上述聚合物的單體也可以用于絕緣分子。形成絕緣殼層16的絕緣分子在自裝配期間和/或之后處于電子傳送指狀物14上通常是理想的。殼層緊密和電子傳送劑16接觸，并且防止或減少電子和外電路24外的空穴再結(jié)合，理想的是絕緣殼層厚度大于或等于約0.2納米；在一個實施方案中，絕緣殼層厚度大于或等于約0.4納米是理想的；在另一實施方案中，絕緣殼層厚度大于或等于約1.0納米是理想的。
空穴傳送指狀物或空穴傳送劑基體12包括提供高空穴遷移性的空穴傳送劑。在一個實施方案中，理想的是填充空隙的透明的空穴傳送劑作為液體是可加工的，但是在光電池操作條件下可以轉(zhuǎn)化為固體狀態(tài)。另外理想的是空穴傳送劑是透明的，可以透過波長約300-1100納米的光；在一個實施方案中，空穴傳送劑對光的投射比大于或等于約10％；在另一實施方案中，空穴傳送劑對光的投射比大于或等于約20％；在另一實施方案中，空穴傳送劑對光的投射比大于或等于約40％。
理想的是空穴傳送劑有最高占有分子軌道(HOMO)能量水平，它緊密地和吸收劑的HOMO匹配，以便促進吸收劑和空穴傳送劑之間空穴的傳遞。
合適的空穴傳送劑用以下結(jié)構(gòu)(I)-(VIII)表示 其中R是氫或烷基，合適的烷基是甲基。


和 其中R是氫和/或烷基，合適的烷基是甲基。
合適的空穴傳送劑的另一實例包括腙化合物，苯乙烯基化合物，二胺化合物，芳香叔胺化合物，丁二烯化合物，吲哚化合物，咔唑衍生物，三唑衍生物，咪唑衍生物，有氨基的噁唑衍生物等，或者是至少一種上述物質(zhì)的結(jié)合。
合適的空穴傳送劑的其它實例是三苯基甲烷，雙(4-二乙基胺-2-甲基苯基)苯基甲烷，芪，腙，芳香胺，包括三(甲苯基)胺，芳基胺，烯胺，菲二胺，N，N’-雙-(3，4-二甲基苯基)-4-聯(lián)苯胺；N，N’-雙-(4-甲基苯基)-N，N’-雙(4-乙基苯基)-1，1’-3，3’-二甲基聯(lián)苯基)-4，4’-二胺；4，4’-雙(二乙基氨基)-2，2’-二甲基三苯基甲烷；N，N’-二苯基-N，N’-雙-(3-甲基苯基)-[1，1’-聯(lián)苯基]-4，4’二胺；N，N’-二苯基-N，N’-雙-(4-甲基苯基)-1，1’-聯(lián)苯基-4，4’二胺；N，N’-二苯基-N，N’-雙-(烷基苯基)-1，1’-聯(lián)苯基-4，4’二胺和N，N’-二苯基-N，N’-雙-(氯苯基)-1，1’-聯(lián)苯基-4，4’二胺；1，1’-雙(4-二-對-甲苯基氨基苯基)環(huán)己烷；1，1’-雙(4-二-(對-甲苯基)氨基苯基)-4-苯基環(huán)己烷；4，4’-雙(二苯基氨基)四聯(lián)苯基；雙(4-二甲基氨基-2-甲基苯基)-苯基甲烷；N，N，N-三(對-甲苯基)胺；4-(二-(對-甲苯基)氨基)-4’-[4(二-(對-甲苯基)氨基)-苯乙烯基]芪；N，N，N’，N’-四-對-甲苯基-4，4’二氨基聯(lián)苯基；N，N，N’，N’-四苯基-4，4’-二氨基聯(lián)苯基；N，N，N’，N’-四-1-萘基-4，4’二氨基聯(lián)苯基；N，N，N’，N’-四-2-萘基-4，4’二氨基聯(lián)苯基；N-苯基咔唑；4，4’-雙[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(1-萘基)-N-(2-萘基)-氨基]聯(lián)苯基；4，4”-雙[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]對-三聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(2-萘基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(3-苊基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；1，5-雙[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]萘；4，4’-雙[N-(9-蒽基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4”-雙[N-(1-蒽基)-N-苯基氨基]-對-三聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(2-菲基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(8-熒蒽基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(2-芘基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(2-并四苯)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(2-苝基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(1-蔻基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；2，6-雙(二-對-甲苯基氨基)萘；2，6-雙[二(1-萘基)氨基]萘；2，6-雙[N-(1-萘基)-N-(2-萘基)氨基]萘；N，N，N’N’-四(2-萘基)-4，4’-二氨基-對-三聯(lián)苯基；4，4’-雙{N-苯基-N-[4-(1-苯基)-苯基]氨基}聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-苯基-N-(2-芘基)-氨基]聯(lián)苯基；2，6-雙[N，N-雙(2-萘基)氨基]氟；1，5-雙[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]萘等，或至少一個上述化合物的組合。
空穴傳送劑可以是固有的導(dǎo)電的聚合物，合適的固有導(dǎo)電聚合物的實例是聚乙炔及其衍生物，聚噻吩及其衍生物，聚(3，4-亞乙基二氧基噻吩)和聚(3，4-亞乙基二硫基噻吩)及其衍生物，聚(異硫茚)，聚(吡啶并噻吩)，聚(吡嗪并噻吩)及其衍生物，聚(吡咯)及其衍生物，聚(3，4-亞乙基二氧基吡咯)及其衍生物，聚(苯胺)及其衍生物，聚(亞苯基亞乙烯)及其衍生物，聚(對-亞苯基)及其衍生物，聚(硫茚)，聚(苯并呋喃)，聚(吲哚)及其衍生物，聚(二苯并噻吩)，聚(二苯并呋喃)，聚(咔唑)及其衍生物，聚(聯(lián)噻吩)，聚(聯(lián)呋喃)，聚(聯(lián)吡咯)及其衍生物，聚(噻吩并噻吩)，聚(噻吩并呋喃)，聚(噻吩并吡咯)，聚(呋喃并吡咯)，聚(呋喃并呋喃)，聚(吡咯并吡咯)及其衍生物，聚(三聯(lián)噻吩)，聚(三聯(lián)呋喃)，聚(三聯(lián)吡咯)及其衍生物，聚(二噻吩并噻吩)，聚(二吡咯并呋喃)，聚(二吡咯并吡咯)及其衍生物，聚(苯乙炔)及其衍生物，聚(聯(lián)吲哚)及其衍生物，聚(二噻吩亞乙烯基)，聚(二呋喃基亞乙烯基)，聚(二吡咯基亞乙烯基)及其衍生物，聚(1，2-反(3，4-亞乙基二氧基噻吩基)亞乙烯)，聚(1，2-反(3，4-亞乙基二氧基呋喃基)亞乙烯基)，聚(1，2-反(3，4-亞乙基二氧基吡咯基)亞乙烯基)及其衍生物，聚(雙-噻吩基亞芳基)和聚(雙吡咯基亞芳基)及其衍生物，聚(二噻吩基環(huán)戊烯酮)，聚(喹啉)，聚(噻唑)，聚(芴)，聚(薁)等，或者至少一種上述固有導(dǎo)電聚合物的結(jié)合。
空穴傳送劑也可以是離子液體或電解質(zhì)，能夠用作空穴傳送劑的離子液體的合適的實例是甲基丙基咪唑鎓三氟甲磺酸鹽，甲基丙基咪唑鎓雙三氟甲磺酸鹽，甲基丙基咪唑鎓壬基甲磺酸鹽(nanoflate)，甲基丙基咪唑鎓乙醚磺酸鹽，甲基丙基咪唑鎓碘化物，甲基丙基咪唑鎓三碘化物，甲基丙基咪唑鎓擬鹵化物(pseohallides)，和磷鎓陰離子形成的金屬絡(luò)合物等，或者至少一種上述空穴傳送劑的組合。
電子傳送劑通常和空穴傳送劑有相同的一般性質(zhì)，即能夠容納或轉(zhuǎn)移電荷。理想的是電子傳送劑有最低未占有分子軌道(LUMO)的能量水平，能夠緊密地和吸收劑的LUMO匹配，因此能夠促進電子在吸收劑和電子傳送劑之間傳送。
在一個實施方案中，電子傳送劑包括納米結(jié)構(gòu)如納米金屬絲、納米棒、納米薄片，包括金屬、半導(dǎo)體、固有導(dǎo)電聚合物，或至少一種上述物質(zhì)的組合。電子傳送劑的實例是氧化鈦納米金屬絲，它含有吸收劑和/或化學(xué)鍵合到其外表面上的絕緣分子。在另一實施方案中，納米金屬絲可以調(diào)整為一束，以便形成電子傳送指狀物。
合適的電子傳送劑的實例是絡(luò)合物，如反-8-羥基喹啉鋁(AlQ3)，氰基-多亞苯基亞乙烯基(CN-PPV)，齊聚物，聚合物和其它含有缺電子雜環(huán)部分的分子物種，如2，5-二芳基噁二唑，二芳基噻唑，二芳基三唑，三嗪，吡啶，喹啉，苯并噁唑，苯并噻唑等。其它電子傳送劑的實例是特殊官能化的富勒烯(例如6，6-苯基C61丁基酸-甲酯)，二氟乙烯基-(雜)亞芳基，3-(1，1-二氟烷基)噻吩基團，并五苯，聚(3-己基噻吩)，α，ω-取代的六噻吩，正-十五氟庚基甲基萘-1，4，5，8-四羧酸二酰亞胺，二己基-五噻吩，聚(3-己基噻吩)，聚(3-烷基噻吩)，二己基六噻吩，二己基蒽二噻吩，酞腈，C60富勒烯等，或者至少一種上述電子傳送劑的組合。
合適的電子傳送劑的實例(不是空穴嵌段物)是以下結(jié)構(gòu)(IX)-(XIII)
理想的是電子傳送指狀物和/或空穴傳送指狀物有大于或等于約2平方米/克(m2/gm)的表面積；在一個實施方案中，電子傳送指狀物和/或空穴傳送指狀物有大于或等于約10平方米/克(m2/gm)的表面積；在另一實施方案中，電子傳送指狀物和/或空穴傳送指狀物有大于或等于約20平方米/克(m2/gm)的表面積；在另一實施方案中，電子傳送指狀物和/或空穴傳送指狀物有大于或等于約50平方米/克(m2/gm)的表面積；在另一實施方案中，電子傳送指狀物和/或空穴傳送指狀物有大于或等于約100平方米/克(m2/gm)的表面積。
光電池的第一和第二基底的導(dǎo)電表面可以包括導(dǎo)電材料，理想的是基底可以透過電磁波譜的光，理想的是可以透過約300-1100納米波長的光?；椎膶?dǎo)電表面通常能夠被模型化，以便選擇性地和電子傳送劑或空穴傳送劑化學(xué)鍵合。模型化通過使用模板、掩模、化學(xué)方法如疏水-親水相互作用、電場、磁場方法完成。模型化通常允許基底與電子傳送劑或空穴傳送劑之一但不是兩者化學(xué)鍵合。在一個實施方案中，電子傳送劑包括僅僅允許和第二基底化學(xué)鍵合的活性基團；在另一實施方案中，空穴傳送劑包括僅僅允許和第二基底化學(xué)鍵合的活性基團，如果需要，導(dǎo)電表面可以包括單層或多層。
可以用于基底的合適的導(dǎo)電材料是金屬、半導(dǎo)體、固有導(dǎo)電聚合物等，或者至少一種上述材料的結(jié)合。金屬的實例是白金、銀、銅或金的薄膜，或者至少一種上述金屬薄膜的結(jié)合。合適的半導(dǎo)體的實例是導(dǎo)電金屬氧化物，如銦錫氧化物、涂銦的氧化錫等，或者至少一種上述半導(dǎo)體的結(jié)合。固有導(dǎo)電氧化物的實例已經(jīng)在上述電子傳送劑和空穴傳送劑的實施方案中詳細記載了。
能夠用于基底表面的導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料也可以是納米結(jié)構(gòu)形式的，例如納米金屬絲、納米薄膜、納米棒等。導(dǎo)電納米薄膜可以沉積在基底上形成導(dǎo)電表面。沉積納米薄膜使用的方法是擴展熱等離子體(EYP)，離子電鍍，等離子體增強化學(xué)蒸汽沉積(PECVD)，金屬有機化學(xué)蒸汽沉積(MOCVD)(也稱為有機金屬化學(xué)蒸汽沉積，MOCVD))，金屬有機相外延(MOVPE)，物理蒸汽沉積方法如噴鍍，反應(yīng)電子束(e-beam)沉積和等離子體噴霧。如上所述，模板，掩模等在上述過程中能夠用于模型化的導(dǎo)電表面。
納米金屬絲是實心或中空的，并且能夠用于制造導(dǎo)電表面。使用納米金屬絲作為導(dǎo)電表面可以促進由于顆粒邊界引起的電阻降低。在一個實施方案中，納米金屬絲導(dǎo)電是理想的。在另一實施方案中，納米金屬絲是半導(dǎo)電的。納米金屬絲可以包括金屬和導(dǎo)電金屬氧化物，納米金屬絲在表面可以有活性分子，以便選擇性地化學(xué)鍵合電子傳送劑或空穴傳送劑。在一個實施方案中，納米金屬絲直徑為約2-200納米；在另一實施方案中，納米金屬絲直徑為約5-50納米；在另一實施方案中，納米金屬絲直徑為約10-30納米。
在一個實施方案中，制造光電池的一個方法是將吸收分子和固有導(dǎo)電聚合物、電荷隔離劑化學(xué)鍵合，形成光電池組合物。在另一實施方案中，制造光電池的一個方法是將吸收分子和固有導(dǎo)電聚合物、絕緣分子及電荷隔離劑化學(xué)鍵合，形成光電池組合物。然后將組合物溶解在合適的溶劑中，從溶劑中鑄型。另外可以將組合物熔融混合，然后進行擠壓或滾磨，鑄型或滾磨以后組合物開始自裝配過程。自裝配通過使用模板、掩模、電場、磁場、切變場、特定的化學(xué)相互作用如疏水-親水相互作用的方法進行。
自裝配方法促進電子傳送劑和空穴傳送劑進行相分離為具有幾何形狀和有效厚度的相，允許吸收劑有效地吸收光。理想的是，作為電子傳送劑的相是圓柱體形式，并且以類似某些嵌段共聚物的方式被壓緊。在一個實施方案中，圓柱體主要包括作為電子傳送劑的固有聚合物，而基體基本上包括作為空穴傳送劑的固有導(dǎo)電聚合物；在另一實施方案中，圓柱體包括作為空穴傳送劑的導(dǎo)電聚合物，而基體包括作為電子傳送劑的固有導(dǎo)電聚合物。
圓柱體有大于或等于約2的縱橫比是理想的，在一個實施方案中，縱橫比大于或等于約5，在另一實施方案中，縱橫比大于或等于約10。當(dāng)相是圓柱體時，圓柱體有大于或等于約1微米的長度是理想的，在一個實施方案中，圓柱體的長度大于或等于約10微米，在另一實施方案中，圓柱體的長度大于或等于約50微米。圓柱體的直徑大于或等于約2納米是理想的，在一個實施方案中，圓柱體的直徑大于或等于約5納米，在另一實施方案中，圓柱體的直徑大于或等于約10納米。
在一個實施方案中，自裝配以后可以將用于提供電子傳送劑和/空穴傳送劑的材料交聯(lián)，以便有利于電荷的傳遞。交聯(lián)將在每一層或使圓柱體中的電子傳送劑嵌段物熔合到單一的電子傳送劑分子的路徑中，因此能夠改進傳送，并且能夠機械地穩(wěn)定其完整性，提供牢固的結(jié)構(gòu)。
在一個圖3中的涉及光電池10的另一實施方案中，制造光電池的另一方法是自裝配方法，包括將電子導(dǎo)電聚合物納纖維束的自-聚集體移動到空穴傳送劑中，為此使用兩種類型的電子傳送聚合物。第一種電子傳送聚合物沒有外殼層，第二種電子傳送聚合物化學(xué)鍵合到吸收分子，并且有外殼層。吸收分子和在第二電子傳送聚合物上的殼層不覆蓋第二電子傳送聚合物的整個表面，剩余的一部分聚合物是沒有殼層的。假如需要，兩種形式的沒有殼層的表面可以彼此作用結(jié)合。例如這可以通過將兩者的氫結(jié)合到所述電子傳送劑聚合表面的給體和受體基團來完成。當(dāng)兩種形式在疏水離子液體中被加熱時，它們會同時形成納米直徑的纖維，它在核心中含有無殼層的聚合物和在纖維的外部有殼層的聚合物。如上所述電子傳送劑聚合物和空穴傳送劑聚合物的端基基團被設(shè)計為結(jié)合到各自的基底上，通過交聯(lián)溶解的空穴傳送劑聚合物，離子液體在裝配以后能夠被固化。
在關(guān)于制造光電池的另一實施方案中，電子傳送劑嵌段物由假核心-殼層結(jié)構(gòu)組成，其中核心和殼層分別構(gòu)成電子傳送劑和電絕緣殼層材料?？昭▊魉颓抖挝镆灿杉俸诵?殼層結(jié)構(gòu)組成，其中核心和殼層分別構(gòu)成空穴傳送劑和電絕緣殼層材料。核心-殼層嵌段共聚物和光吸收材料混合，其可以是來自溶液相或熔融相的納米顆粒，然后混合物沉積在模型化(電極)的基底上，可以分別沉積在第一或第二基底上。沉積通過涉及旋轉(zhuǎn)涂覆、溶液鑄型等的方法進行。嵌段共聚物/光吸收劑混合物沉積以后，沒有涂覆的預(yù)-模型化基底和沉積在另一基底上的嵌段共聚物表面緊密接觸。
為了預(yù)-模型化電極基底，將自裝配單層(SAM)或聚合物刷子首先用于至少一個基底，然后用例如電子束(e-beam)石版印刷、納米印刷、超UV石版印刷或嵌段共聚物石版印刷等技術(shù)模型化。使用上述模型化方法，電極基底以化學(xué)方式和拓撲學(xué)方式地被模型化。使用具有不同化學(xué)性質(zhì)的SAM(或聚合物刷子)將第一和第二基底模型化，更具體地說，模型化的電極之一的化學(xué)性質(zhì)將僅僅和形成電的嵌段物匹配，和嵌段共聚物的形成空穴的嵌段物不匹配。同樣，其它模型化的電極將僅僅和嵌段共聚物的形成空穴的嵌段物匹配。這些要求保證了嵌段共聚物的每一嵌段和相應(yīng)的電極表面之間的適當(dāng)?shù)碾娊佑|，因此可以防止短路。
不同的SAM(聚合物刷子)可以用于每一電極基底，在另一實施方案中，同樣的SAM(聚合物刷子)可以用于兩個電極，隨后通過將僅僅一個SAM-電極進行地毯式的在UV下曝光、或暴露于臭氧或加熱處理而對它進行化學(xué)修飾。
自裝配嵌段共聚物/光吸收劑混合物能夠使用各種方法產(chǎn)生，例如在溶劑或蒸汽存在下或在外場存在下熱處理或加壓，外場例如是電場，磁場或切變場，或者上述方法的結(jié)合。在共聚物嵌段物的相分離中產(chǎn)生周期性的或很確定的區(qū)域。這些區(qū)域的面積和形態(tài)受分子量、體積分數(shù)和嵌段組分及光吸收材料的反應(yīng)程度的控制。面積是幾納米到幾百納米數(shù)量級，形態(tài)是球形、圓柱形、薄片、雙螺旋和其它穿插形的，對于所述的應(yīng)用，優(yōu)選的形態(tài)是薄片和圓柱形。
在一個實施方案中，根據(jù)自裝配將光吸收物質(zhì)(吸收劑)選擇為分隔成形成空穴的嵌段物和形成假核心-殼層電子嵌段物之間的界面，光吸收物質(zhì)的表面功能化對于本發(fā)明的目的是可有可無的。嵌段共聚物/光吸收混合物在預(yù)-模型化電極基底上的自組裝提供了達到嵌段共聚物結(jié)構(gòu)域(相)的垂直定向的手段，特別是對于圓柱體或薄片形成嵌段共聚物/光吸收劑混合物來說。
上述方法制造的光電池的優(yōu)點是它們能夠提供大于或等于約10％能量轉(zhuǎn)化效率，在另一實施方案中，本發(fā)明的光電池夠提供大于或等于約20％的能量轉(zhuǎn)化效率，在另一實施方案中，本發(fā)明的光電池夠提供大于或等于約30％的能量轉(zhuǎn)化效率。另外所述方法制造的光電池是通用的和靈活的，重量輕，能夠用多種方法如滾磨方法等制造。
雖然通過參照列舉的實施方案描述了本發(fā)明，但是對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解可以有各種變化，只要不脫離本發(fā)明的范圍，允許作出等同替代。另外，只要不脫離本發(fā)明技術(shù)的基本內(nèi)容，可以作出許多改進以適合特殊的情況或材料，因此本發(fā)明不限于作為完成本發(fā)明的最好模式的具體公開的實施方案，而且本發(fā)明還包括落入其后的權(quán)利要求書范圍的所有實施方案。
權(quán)利要求
1.一種光電池，包括能夠吸收電磁輻射的吸收劑；包括第一導(dǎo)電表面的第一基底；包括第二導(dǎo)電表面的第二基底，第二導(dǎo)電表面和第一導(dǎo)電表面相對，并且面對著第一基底的第一導(dǎo)電表面；電子傳送劑，它和第二基底的第二導(dǎo)電表面進行電傳遞，但是和第一基底是電絕緣的；空穴傳送劑，它和第一基底的第一導(dǎo)電表面進行電傳遞，但是和第二基底是電絕緣的；其中空穴傳送劑和/或電子傳送劑化學(xué)鍵合到電絕緣殼層上，并且其中空穴傳送劑和/或電子傳送劑化學(xué)鍵合到吸收劑上。
2.權(quán)利要求1的光電池，其中第一基底和/或第二基底能夠透過波長約300-1100納米的光。
3.權(quán)利要求1的光電池，其中第一基底的導(dǎo)電表面和第二基底的導(dǎo)電表面通過光電池的外部的電路進行電傳遞。
4.權(quán)利要求1的光電池，其中第一基底和/或第二基底的導(dǎo)電表面包括一個或多個導(dǎo)電物質(zhì)層，后者可以包括金屬、半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體、固有導(dǎo)電性聚合物，或者包含至少一種上述物質(zhì)的組合。
5.權(quán)利要求1的光電池，其中所述的電子傳送劑和空穴傳送劑是叉指式指狀物形式，具有大于或等于約2納米的特征尺寸。
6.權(quán)利要求1的光電池，其中的空穴傳送劑和電子傳送劑包括固有導(dǎo)電性聚合物。
7.權(quán)利要求1的光電池，其中所述的空穴傳送劑和/或電子傳送劑包括腙化合物，苯乙烯基化合物，二胺化合物，芳香叔胺化合物，丁二烯化合物，吲哚化合物，咔唑衍生物，三唑衍生物，咪唑衍生物，帶有氨基的噁唑衍生物，三苯基甲烷，雙(4-二乙基胺-2-甲基苯基)苯基甲烷，芪，腙，芳香胺，包括三(甲苯基)胺，芳基胺，烯胺，菲二胺，N，N’-雙-(3，4-二甲基苯基)-4-聯(lián)苯胺；N，N’-雙-(4-甲基苯基)-N，N’-雙(4-乙基苯基)-1，1’-3，3’-二甲基聯(lián)苯基)-4，4’-二胺；4，4’-雙(二乙基氨基)-2，2’-二甲基三苯基甲烷；N，N’-二苯基-N，N’-雙-(3-甲基苯基)-[1，1’-聯(lián)苯基]-4，4’二胺；N，N’-二苯基-N，N’-雙-(4-甲基苯基)-1，1’-聯(lián)苯基-4，4’二胺；N，N’-二苯基-N，N’-雙-(烷基苯基)-1，1’-聯(lián)苯基-4，4’二胺和N，N’-二苯基-N，N’-雙-(氯苯基)-1，1’-聯(lián)苯基-4，4’二胺；1，1’-雙(4-二-(對-甲苯基)氨基苯基)環(huán)己烷；1，1’-雙(4-二-(對-甲苯基)氨基苯基)-4-苯基環(huán)己烷；4，4’-雙(二苯基氨基)四聯(lián)苯基；雙(4-二甲基氨基-2-甲基苯基)-苯基甲烷；N，N，N-三(對-甲苯基)胺；4-(二-對-甲苯基氨基)-4’-[4(二-(對-甲苯基)氨基)-苯乙烯基]芪；N，N，N’，N’-四-對-甲苯基-4，4’二氨基聯(lián)苯基；N，N，N’，N’-四苯基-4，4’-二氨基聯(lián)苯基；N，N，N’，N’-四-1-萘基-4，4’二氨基聯(lián)苯基；N，N，N’，N’-四-2-萘基-4，4’二氨基聯(lián)苯基；N-苯基咔唑；4，4’-雙[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(1-萘基)-N-(2-萘基)-氨基]聯(lián)苯基；4，4”-雙[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]對-三聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(2-萘基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(3-苊基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；1，5-雙[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]萘；4，4’-雙[N-(9-蒽基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4”-雙[N-(1-蒽基)-N-苯基氨基]-對-三聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(2-菲基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(8-熒蒽基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(2-芘基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(2-并四苯)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(2-苝基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-(1-蔻基)-N-苯基氨基]聯(lián)苯基；2，6-雙(二-(對-甲苯基)氨基)萘；2，6-雙[二(1-萘基)氨基]萘；2，6-雙[N-(1-萘基)-N-(2-萘基)氨基]萘；N，N，N’N’-四(2-萘基)-4，4’-二氨基-對-三聯(lián)苯基；4，4’-雙{N-苯基-N-[4-(1-苯基)-苯基]氨基}聯(lián)苯基；4，4’-雙[N-苯基-N-(2-芘基)-氨基]聯(lián)苯基；2，6-雙[N，N-雙(2-萘基)氨基]氟；1，5-雙[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]萘，或者包含至少一種上述物質(zhì)的組合。
8.權(quán)利要求6的光電池，其中固有導(dǎo)電性聚合物是聚乙炔及其衍生物，聚噻吩及其衍生物，聚(3，4-亞乙基二氧基噻吩)和聚(3，4-亞乙基二硫基噻吩)及其衍生物，聚(異硫茚)，聚(吡啶并噻吩)，聚(吡嗪并噻吩)及其衍生物，聚(吡咯)及其衍生物，聚(3，4-亞乙基二氧基吡咯)及其衍生物，聚(苯胺)及其衍生物，聚(亞苯基亞乙烯基)及其衍生物，聚(對-亞苯基)及其衍生物，聚(硫茚)，聚(苯并呋喃)，聚(吲哚)及其衍生物，聚(二苯并噻吩)，聚(二苯并呋喃)，聚(咔唑)及其衍生物，聚(聯(lián)噻吩)，聚(聯(lián)呋喃)，聚(聯(lián)吡咯)及其衍生物，聚(噻吩并噻吩)，聚(噻吩并呋喃)，聚(噻吩并吡咯)，聚(呋喃并吡咯)，聚(呋喃并呋喃)，聚(吡咯并吡咯)及其衍生物，聚(三聯(lián)噻吩)，聚(三聯(lián)呋喃)，聚(三聯(lián)吡咯)及其衍生物，聚(二噻吩并噻吩)，聚(二吡咯并呋喃)，聚(二吡咯并吡咯)及其衍生物，聚(苯乙炔)及其衍生物，聚(聯(lián)吲哚)及其衍生物，聚(二噻吩亞乙烯基)，聚(二呋喃基亞乙烯基)，聚(二吡咯基亞乙烯基)及其衍生物，聚(1，2-反式(3，4-亞乙基二氧基噻吩基)亞乙烯基)，聚(1，2-反式(3，4-亞乙基二氧基呋喃基)亞乙烯基)，聚(1，2-反式(3，4-亞乙基二氧基吡咯基)亞乙烯基)及其衍生物，聚(雙-噻吩基亞芳基)和聚(雙吡咯基亞芳基)及其衍生物，聚(二噻吩基環(huán)戊烯酮)，聚(喹啉)，聚(噻唑)，聚(芴)，聚(薁)，或者包含至少一種上述固有導(dǎo)電性聚合物的組合。
9.權(quán)利要求1的光電池，其中電子傳送劑是官能化的富勒烯(例如6，6-苯基-C61丁基酸-甲酯)，二氟乙烯基-(雜)亞芳基，3-(1，1-二氟烷基)噻吩基團，并五苯，聚(3-己基噻吩)，α，ω-取代的六噻吩，正-十五氟庚基甲基萘-1，4，5，8-四羧酸二酰亞胺，二己基-五噻吩，聚(3-己基噻吩)，聚(3-烷基噻吩)，二己基六噻吩，二己基蒽二噻吩，酞腈，C60富勒烯，或者包含至少一種上述電子傳送劑的組合。
10.權(quán)利要求1的光電池，其中電絕緣殼層鍵合到電子傳送劑和/或空穴傳送劑并且防止電子和空穴再結(jié)合；其中的電絕緣殼層有大于或等于0.2納米的特征尺寸。
11.權(quán)利要求10的光電池，其中電絕緣殼層包括部分單層或多層電絕緣物質(zhì)。
12.權(quán)利要求1的光電池，其中吸收劑包括吸收分子和化學(xué)鍵合到吸收分子上的電荷隔離劑。
13.權(quán)利要求12的光電池，其中吸收分子包括至少一種能夠吸收約700-1100納米波長的電磁輻射的長波吸收分子和至少一種能夠吸收約300-700納米波長的電磁輻射的短波吸收分子，并且其中的短波吸收分子和長波吸收分子化學(xué)上相容，能夠存在于單個相中。
14.權(quán)利要求12的光電池，其中電荷隔離劑是取代的酚噻嗪部分，取代的咔唑部分，取代的二苯并苯基烯丙酰苯部分，或至少一種上述電荷隔離劑的組合。
15.權(quán)利要求12的光電池，其中的電荷隔離劑包括電子給體部分和/或還原劑。
16.權(quán)利要求1的光電池，其中的吸收劑具有能夠有效地將電子直接發(fā)射到電子傳送劑的導(dǎo)電帶中的LUMO能級，并且具有，能夠有效地將空穴直接發(fā)射到空穴傳送劑的導(dǎo)電帶中的HOMO能級。
17.一種光電池組合物，包括非強制地結(jié)合到電絕緣分子上的電子傳送劑，非強制地結(jié)合到電絕緣分子上的空穴傳送劑，能夠吸收電磁輻射的吸收劑，其中吸收劑化學(xué)鍵合到電子傳送劑和空穴傳送劑上。
18.權(quán)利要求17的光電池組合物，其中吸收劑包括吸收分子和一種或多種電荷隔離劑，其中電荷隔離劑化學(xué)鍵合于吸收分子，并且其中電荷隔離劑是取代的酚噻嗪部分，取代的咔唑部分，取代的二苯并苯基烯丙酰苯部分，或至少一種上述電荷隔離劑的組合。
19.權(quán)利要求18的光電池組合物，其中所述的吸收分子包括至少一種能夠吸收約700-1100納米波長的電磁輻射的長波吸收分子和至少一種能夠吸收約300-700納米波長的電磁輻射的短波吸收分子。
20.包括權(quán)利要求17的組合物的裝置。
21.制造光電池的方法，包括混合包括能夠吸收電磁輻射的吸收劑、電子傳送劑和/或空穴傳送劑和/或電絕緣分子的組合物，并且將該組合物沉積在基底上。
22.通過權(quán)利要求21的方法制造的光電池。
全文摘要
公開了光電池，所述光電池包括能夠吸收電磁輻射的吸收劑；包括第一導(dǎo)電表面的第一基底；包括第二導(dǎo)電表面的第二基底，第二導(dǎo)電表面和第一導(dǎo)電表面相對，并且面對著第一基底的第一導(dǎo)電表面；電子傳送劑，它和第二基底的第二導(dǎo)電表面進行電傳遞，但是和第一基底是電絕緣的；空穴傳送劑，它和第一基底的第一導(dǎo)電表面進行電傳遞，但是和第二基底是電絕緣的；其中空穴傳送劑和/或電子傳送劑化學(xué)鍵合到電絕緣殼層上，并且空穴傳送劑和/或電子傳送劑化學(xué)鍵合到吸收劑上。
文檔編號H01G9/20GK1734792SQ20051008797
公開日2006年2月15日 申請日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月28日
發(fā)明者J·Y·桂, J·L·斯皮瓦克, A·R·杜加爾, J·A·塞拉, A·阿利扎德, A·亞基莫夫 申請人:通用電氣公司