[发明专利]聚合物太阳能电池中提高效率和防止劣化的光子转换材料(PCM)

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年2月17日提交的美国临时专利申请第60/774188号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景

1.技术领域

本发明涉及用于将电磁能转化为电能的装置和方法，并且具体涉及改进的光电电池及方法。

2.相关技术的讨论

为了将功率转换电池效率提高到实际、广泛且低成本的应用变得切实可行的水平，对太阳能电池而言重要的是尽可能高效地开发利用全太阳光谱。这在有机(小分子和聚合物)太阳能电池中甚至更重要，与无机太阳能电池相比，在有机太阳能电池中外部量子效率(EQE)随入射光波长的变化更加强烈。在许多有机光伏系统中，最大的EQE值处于可见光范围内，而在紫外线(UV)范围内的EQE值较小。因此，常规有机光伏电池没有有效地将UV光转换为电能。此外，光伏电池自然暴露于UV光可导致装置随时间推移而发生故障和劣化。因此，需要改进的光伏电池。

发明内容

根据本发明一个实施方案的光伏装置具有光伏电池和光子转换元件。光子转换元件在其组成中具有光子转换材料。在光伏装置运行时，光子转换材料将在包括第一波长的光谱区中的光子转换为在包括第二波长的光谱区中的光子，第二波长大于第一波长。具有第二波长的光子具有至少如下特征之一：对光伏电池的损伤比具有第一波长的光子更小或者转换成电流的效率比具有第一波长的光子更高。

根据本发明一个实施方案的发电的方法包括：将至少一部分具有第一光谱范围内波长的入射光子转换为具有第二光谱范围内波长的光子，其中第二光谱范围具有比第一光谱范围更长的波长；和将至少一部分具有第二光谱范围内波长的光子转换为电能。

附图说明

在以下参考附图对本发明各种实施方案的详细说明中提供本发明的其它特征。此外，通过结合附图参考详细说明，将更好地理解本发明的上述和其它附带优点，在附图中：

图1是根据本发明一个实施方案的光伏装置的示意图；

图2是根据本发明另一个实施方案的光伏装置的示意图；

图3是根据本发明又一个实施方案的光伏装置的示意图；

图4显示根据本发明一个实施方案构建的光伏装置实例的测量的外部量子效率对波长的图；

图5显示与图6相比较的测量的电流对偏压的图，以说明本发明的一些概念；和

图6表示与图5相比较的测量的电流对偏压的图，以说明本发明的一些概念。

详细说明

已经进行了大量努力以开发用于信息显示和固态发光应用的有机发光材料。在这些装置中使用的许多有机材料表现出优异的UV吸收，将入射UV辐射转换成可见光发射时具有非常高的光致发光效率。根据本发明的实施方案，将“光子转换材料”(PCM)(即，将(有害的)短波长入射辐射转换成波长更长并且危害较低的辐射的材料)集成到有机太阳能电池中，以更充分地利用全太阳光谱。例如，PCM可以是将有害的UV转换成危害较小的蓝、绿、红或者甚至是红外(IR)辐射的材料。另外，PCM还可以将来自一部分太阳光谱(不仅仅是UV部分)的光子转换成不同的、通常为更长波长部分的电磁谱。因此，可以将有机材料吸收较少的那部分太阳能例如转换为有机材料或聚合物材料的较高吸收波长区域。这种转换可以对太阳光谱的小部分选择性进行转换，或者这种转换可以对太阳光谱的连续部分进行转换。另外，如果仅仅想保护太阳能电池免受损伤，可以简单地使用吸收太阳光谱的一部分或连续部分且无需考虑更长波长光子再发射的再发射极少的吸收材料。PCM可以是有机、无机和/或纳米颗粒，并且它可以是固体、凝胶或液体的形式。

光子转换材料(PCM)的使用除了光子转换效率之外还具有其它优点。众所周知，短波长光子特别是UV可能对有机材料是有害的并且可能是有机太阳能电池劣化的主要因素。光子转换材料可以将这种有害的较短波长光子转换成较长波长光子，既提高了太阳能转换效率又减少了有机太阳能电池的劣化。光子转换材料可以配置为以下形式，但是并不限于此：(a)在太阳能电池前面的附加层，其可以是单独的层或者是附着在太阳能电池基板的反面(reverse side)上的层(可以在PCM的前面设置保护层)。(b)使PCM与透明或半透明的基板形成为一体，以提供对这些材料以及太阳能电池本身的保护。(c)“外壳”，在该外壳中插入太阳能电池并且填充有液体、凝胶、溶胶-凝胶、纳米颗粒或固体形式的PCM。通过利用(a)、(b)或(c)之一的结构将这些材料引入太阳能电池中，可以通过将一些所不期望的短波长光转换成较长波长且危害较小的光子来提高装置性能(效率或寿命或二者)。