[发明专利]有机光伏电池和带三维装配电极阵列的发光二极管

说明书

交叉引用

本申请要求第61/059,995号美国临时申请的权益，该申请于2008年6月9日提交，标题为《低成本聚合及碳基光伏电池的可行性研究》，通过引用该申请的全文已将其内容纳入本申请。

对联邦赞助研究的声明

本发明在美国国家科学基金会(National Science Foundation)第0826532号项目下获美国政府支持。

背景技术

太阳能是可从环境中获得的充足能源，而光伏电池则是将太阳能转换为电能的主要装置。在美国，总能源的约6％由可再生来源提供，而其中仅有6％来自太阳能电池。

发明内容

本文以部分实例所公布的发明，是一种使用微结构及多层功能设计的新型光伏电池。目前，成品硅基太阳能电池模组可提供的能量转换效率在15％以内，每千瓦时的成本为30至40美分(美国并网电力为～10美分/千瓦时)。本发明中的电池在大量生产的情况下，将提供远低于约4000美元/峰千瓦目标成本的规模经济效应，即成本降至20美分/千瓦时，它是当今市场上最先进硅基光伏电池成本的50％左右。

本文进而以部分实例公布的发明，是一种三维电极。相比传统平面电极，本发明所公布的三维电极设计增大了厚光敏层的表面接触面积(例如，增大3至6倍)，但电阻并未增加，因而可改善能量转换效率。

本文以部分实例所公布的发明，是一种使用特有微结构及多层功能设计的新型电致发光元件。

本文进而以部分实例公布的发明，是一种三维二极管。相比传统平面二极管，本发明所公布的三维电极设计增大了表面面积。

本文以某些具体实施方式公布的发明是一种光伏电池，其包括：(a)多个三维电极，其包括一种导体或半导体或半导体材料，其中该导体或半导体或半导体材料选自：碳、一种碳同素异形体，或一种有机聚合物；及(b)至少一种光敏材料；其中该电极的形状沿纵轴方向变化。在某些具体实施方式中，光伏电池可提供至少5％、7％、10％、15％、20％、25％、30％、40％或50％的能量转换效率。在某些具体实施方式中，至少有一些三维电极由一种导电聚合物包覆。在某些具体实施方式中，电极包括阳极和阴极，而阳极由导电聚合物有选择地包覆。在某些具体实施方式中，至少有一些由PEDOT:PSS(聚苯乙烯磺酸)包覆的阳极。在某些具体实施方式中，该电池还包括两个透明层，而电极及光敏材料则夹在两个透明层之间。在某些具体实施方式中，电磁辐射会通过至少两个透明层，而上述电磁辐射至少有部分将转换为能量。在某些具体实施方式中，电磁辐射为可见光。在某些具体实施方式中，来自电磁辐射的光子会被光敏材料吸收。在某些具体实施方式中，光敏材料包括一个给体聚合物，而光子的吸收作用会激发给体聚合物内的电子。在某些具体实施方式中，一个受激发的电子将迁至阴极，产生电位差。在某些具体实施方式中，转移电荷所需的扩散长度不足100nm。在某些具体实施方式中，三维电极形成一个包括阳极和阴极的阵列。在某些具体实施方式中，至少有一些阳极拥有5eV或以上的功函数。在某些具体实施方式中，至少有一些阴极拥有5eV或以下的功函数。在某些具体实施方式中，至少有一些三维电极呈圆柱状、棱锥状、菱形状、球状、半球状、或矩形棱柱体状。在某些具体实施方式中，三维电极呈棱锥状。在某些具体实施方式中，三维电极呈圆柱状。在某些具体实施方式中，电极采用一种经图案化处理的导体或半导体或半导体材料制造。在某些具体实施方式中，电极采用一种经图案化处理的导体或半导体或半导体材料制造，该图案化处理出自：冲压、挤压、印刷、光刻、滚压或其组合。在某些具体实施方式中，电极采用一种经图案化处理后再加热的导体或半导体或半导体材料制造。在某些具体实施方式中，电极采用一种经图案化处理后再烧结、热解或烘烤的导体或半导体或半导体材料制造。在某些具体实施方式中，电极采用一种经图案化处理后再热解的导体或半导体或半导体材料制造。在某些具体实施方式中，电极采用一种经图案化处理后再烧结的导体或半导体或半导体材料制造。在某些具体实施方式中，电极包含石墨或玻璃碳。在某些具体实施方式中，电极以成组方式排列。在某些具体实施方式中，电极以分离方式排列。在某些具体实施方式中，电极以一种无线迹的结构形成。在某些具体实施方式中，至少有一些电极形成一种有线迹的结构。在某些具体实施方式中，至少有一些电极呈透明状。在某些具体实施方式中，至少有一些电极呈多孔状。在某些具体实施方式中，至少有一些电极被光敏材料包围。在某些具体实施方式中，光敏材料包括一个异质结光敏材料矩阵。在某些具体实施方式中，光敏材料包括晶硅、镉碲化铜铟硒、铜铟/镓硒、有机金属钌染料、P3HT(聚3-己基噻吩)、PCBM(苯基-C61-丁酸甲基酯)或其组合。在某些具体实施方式中，光敏材料包括P3HT(聚3-己基噻吩)及PCBM(苯基-C61-丁酸甲基酯)。在某些具体实施方式中，光敏材料包括的P3HT(聚3-己基噻吩)及PCBM(苯基-C61-丁酸甲基酯)以重量计的比例为：1∶1。在某些具体实施方式中，电池包括第一和第二光敏材料；其中第一光敏材料的吸收光谱与第二光敏材料的吸收不同。在某些具体实施方式中，第一和第二光敏材料位于界定层中。在某些具体实施方式中，光敏材料的表面面积以约3倍至约6倍的系数增加。在某些具体实施方式中，电池还包括一种透明材料，其中该透明材料可防止电池氧化。在某些具体实施方式中，电池还包括一种玻璃、塑料、陶瓷或其组合材质的透明材料。在某些具体实施方式中，电池还包括一种玻璃的透明材料，其中该玻璃可防止电池氧化。在某些具体实施方式中，电池还包括一种塑料的透明材料，其中该玻璃可防止电池氧化。在某些具体实施方式中，电池为一种太阳能电池。在某些具体实施方式中，电池用于制作太阳能电池板。