BR112013019158B1

BR112013019158B1 - célula fotovoltaica transparente, matriz fotovoltaica e método para gerar eletricidade

Info

Publication number: BR112013019158B1
Application number: BR112013019158-9A
Authority: BR
Inventors: Vladimir Bulovic; Richard Royal Lunt
Original assignee: Massachusetts Institute Of Technology
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2021-02-02
Also published as: US10665801B2; CA2825584A1; MX339751B; KR20210018514A; CN109244247B; US20230052989A1; CN103534831A; KR102391529B1; ES2907221T3; KR20140021542A; KR20220059554A; CN109244247A; WO2012103212A3; US20120186623A1; RU2013137652A; JP2022153401A; MX2013008573A; JP2018032872A; WO2012103212A2; JP6576408B2

Abstract

CÉLULA FOTOVOLTAICA, MATRIZ FOTOVOLTAICA, MÉTODO PARA FABRICAR UMA CÉLULA FOTOVOLTAICA E MÉTODO PARA GERAR ELETRICIDADE. São revelados uma célula fotovoltaica transparente e método para realização. A célula fotovoltaica pode incluir um substrato transparente e um primeiro material ativo sobreposto ao substrato. o primeiro material ativo pode ter um primeiro pico de absorção em um comprimento de onda superior a aproximadamente 650 nanômetros. Um segundo material ativo é disposto sobrepondo o substrato, o segundo material ativo tendo um segundo pico de absorção em um comprimento de onda fora do espectro de luz visível. A célula fotovoltaica também pode incluir um cátodo transparente e um ânodo transparente.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA AO PEDIDO DEPOSITADO ANTERIORMENTE

[001] Este pedido reivindica prioridade em relação ao pedido provisório depositado anteriormente 61/436, 671 depositado em 26 de janeiro de 2011, que está aqui incorporado integralmente por referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] Esta invenção se refere ao campo dos dispositivos fotovoltaicos, e mais particularmente, dispositivos fotovoltaicos orgânicos.

HISTÓRICO

[003] A área de superfície necessária para tirar vantagem de energia solar permanece um obstáculo para contrabalancear uma porção significativa de consumo de energia não renovável. Por este motivo, dispositivos de baixo custo, transparentes e fotovoltaicos orgânicos (OPV) que possam ser integrados às vidraças em casas, arranha-céus e automóveis são desejáveis. Por exemplo, os vidros de janela utilizados em automóveis e em arquitetura são tipicamente de 70-80% e 55-90% transmissivos, respectivamente, ao espectro visível, por exemplo, luz com comprimentos de ondas de aproximadamente 450 a 650 nanômetros (nm) . A flexibilidade mecânica limitada, o alto custo do módulo e, mais importante, a absorção tipo banda de semicondutores inorgânicos limita sua utilidade potencial para células solares transparentes. Em contraste, o caráter excitônico de semicondutores orgânicos e moleculares resulta em espectros de absorção que são altamente estruturados com absorção mínima e máxima que é distintamente improvável da absorção de banda de suas correspondentes inorgânicas. Esforços anteriores para construir dispositivos semitransparentes focaram-se na utilização de camadas ativas finas (ou buracos físicos) com absorção focada no espectro visível e, portanto, foram limitadas a baixas eficiências < 1% ou transmissividade visível de média baixa (AVT) para iluminar cerca de 10-35%, uma vez que ambos os parâmetros não podem ser simultaneamente otimizados.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[004] Uma célula fotovoltaica transparente e um método para elaboração são revelados. A célula fotovoltaica pode incluir um substrato transparente e um primeiro material ativo sobreposto ao substrato. O primeiro material ativo pode ter um pico de absorção em um comprimento de onda superior a aproximadamente 650 nanômetros. Um segundo material ativo é disposto sobrepondo o substrato, o segundo material ativo tendo um pico de absorção em um comprimento de onda fora do espectro de luz visível. A célula fotovoltaica também pode incluir um cátodo transparente e um ânodo transparente.

[005] Pelo menos um dentre cátodo e ânodo pode ser configurado para maximizar uma absorção no primeiro material ativo. Pelo menos um dentre cátodo e ânodo pode ser configurado para maximizar a absorção no segundo material ativo. O primeiro material ativo e o segundo material ativo podem ser localizados em camadas separadas. O primeiro material ativo pode ter um segundo pico de absorção em um comprimento de onda inferior a aproximadamente 450 nanômetros.

[006] O primeiro material ativo pode ser um doador e o segundo material ativo pode ser um receptor. O dispositivo também pode incluir um espelho que reflete em comprimentos de onda próximos de infravermelho. O primeiro material ativo pode compreender um material orgânico. O primeiro material ativo pode compreender pelo menos um dentre: uma ftalocianina, uma porfirina ou um corante de naftalocianina. O primeiro material ativo pode compreender ftalocianina de cloro e alumínio. A primeira camada ativa pode compreender estanho-ftalocianina. A segunda camada ativa pode compreender pelo menos um dentre carbono 60 (Cee) ou um nanotubo. O primeiro e segundo materiais ativos podem ser configurados para uso com camadas de encapsulação flexível.

[007] A célula fotovoltaica pode incluir um substrato transparente e um primeiro material ativo sobreposto ao substrato. O primeiro material ativo pode ter um primeiro pico de absorção em comprimentos de ondas maior que cerca de 650 nanômetros. A célula fotovoltaica pode incluir um segundo material ativo sobreposto ao substrato, o segundo material ativo tendo um segundo pico de absorção em um comprimento de onda superior a aproximadamente 650 nanômetros ou inferior a aproximadamente 450 nanômetros. A célula fotovoltaica também pode incluir um cátodo transparente e um ânodo transparente.

[008] A célula fotovoltaica pode incluir uma área de recombinação disposta entre uma primeira e segunda subcélulas, cada uma das primeira e segunda subcélulas tendo picos de absorção em comprimentos de ondas fora do espectro de luz visível, um cátodo transparente e um ânodo transparente. A célula fotovoltaica pode ser transparente ou semitransparente.

[009] Um método para fabricar uma célula fotovoltaica pode incluir a fabricação de um primeiro material de eletrodo em um substrato, o material de eletrodo e o substrato sendo transparentes à luz visível. Pelo menos uma camada pode ser fabricada, a camada tendo um primeiro material ativo com um pico de absorção em um comprimento de onda superior a aproximadamente 650 nanômetros e um segundo material ativo com um pico de absorção em um comprimento de onda fora do espectro de luz visível. Um segundo eletrodo pode ser fabricado de material transparente à luz visível. O método pode incluir a seleção de uma espessura de pelo menos um dentre primeiro ou segundo eletrodos de maneira que a absorção da luz próximo do infravermelho na camada ativa de absorção infravermelha seja maximizada. O método também pode incluir a fabricação de um espelho multicamadas para luz próximo do infravermelho.

[0010] O método pode incluir fabricação de uma primeira e segunda subcélulas, cada uma das primeira e segunda subcélulas tendo picos de absorção em comprimento de ondas fora do espectro de luz visível. A área de recombinação pode ser disposta entre a primeira e segunda subcélulas. Um cátodo transparente e um ânodo transparente também podem ser fabricados. A célula fotovoltaica pode ser transparente ou semitransparente.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0011] A Figura 1(a) mostra um esquema de umacélula solar de controle;

[0012] A figura 1(b) mostra um esquema de uma realização de uma célula solar transparente completa;

[0013] A figura 1(c) é um gráfico que mostra o coeficiente de extinção, k, das camadas ativas mostradas nas Figuras 1(a) e 1(b);

[0014] A Figura 1(d) é um gráfico que mostra as curvas de tensão-corrente (J-V) para o controle ClAlPc-C60 e células transparentes mostradas nas Figuras 1(a) e 1 (b);

[0015] A Figura 2 (a) é um gráfico que mostra a resistência em série diminuir e o fator de preenchimento (FF) saturar próximo ao valor para a célula de controle a medida que a espessura do Óxido de Índio e Estanho (ITO) é aumentada;

[0016] A Figura 2(b) é um gráfico que mostra um aumento de corrente de foto por um fator de 3x em uma espessura ótima de 120 nanômetros de modo que o np aumenta praticamente a mesma quantidade;

[0017] A Figura 3(a) é um gráfico que mostra uma eficiência quântica externa (EQE) como uma função do comprimento de onda para várias espessuras do ITO e das camadas de controle;

[0018] A Figura 3(b) é um gráfico que mostra a % de transmissão como uma função do comprimento de onda para diversas espessuras do ITO e camadas de controle;

[0019] A Figura 3(c) mostra o espectro de simulação solar medido exibindo características de lâmpadas- Xe e eficiência quântica externa (EQE) mc-Si relatada para NREL para o diodo de referência usado para medir a intensidade do simulador solar;

[0020] A Figura 3(d) mostra a refletividade medida e calculada do refletor Bragg distribuído usado neste estudo como o espelho NIR transparente;

[0021] As Figuras 4a e 4b mostram matrizes de células solares posicionadas em frente da imagem de uma “rosa” para destacar a transparência do dispositivo totalmente montado;

[0022] A Figura 4c mostra uma matriz de célula solar acoplado a um Relógio de LCD;

[0023] As Figuras 4d e 4e mostram uma realização alternativa de uma matriz de célula solar posicionada em frente de uma imagem de uma “montanha” para destacar a transparência do dispositivo totalmente montado;

[0024] A Figura 4(f) é uma imagem de uma montagem de circuito completa com conexões para um relógio de LCD.

[0025] A Figura 5(a) é um gráfico que mostra eficiência quântica externa (EQE) como uma função do comprimento de onda para um dispositivo SnPc;

[0026] A Figura 5(b) é um gráfico que mostra a % de transmissão como uma função do comprimento de onda para um dispositivo SnPc;

[0027] A Figura 6(a) é um gráfico que mostra uma comparação entre desenhos de SnPc e ClAlPc;

[0028] A Figura 6(b) é um gráfico que mostra o efeito da espessura do cátodo ITO;

[0029] As Figuras 6(c) e 6(d) mostram a simulações de matriz de transferência da transmissão visível média (AVT, coluna esquerda) e corrente de curto-circuito (coluna direita) da arquitetura OPV transparente como uma função das espessuras do ânodo e cátodo ITO sem um espelho NIR;

[0030] As Figuras 6(e) e 6(f) mostram as simulações de matriz de transferência da transmissão visível média (AVT, coluna esquerda) e corrente de curto-circuito (coluna direita) da arquitetura OPV transparente como uma função das espessuras do ânodo e cátodo ITO com um espelho NIR;

[0031] A Figura 7 é um diagrama de bloco de um dispositivo com uma camada mista incluindo tanto um doador quanto um receptor;

[0032] A Figura 8 é um diagrama de bloco de um dispositivo tandem;

[0033] As Figuras 9(a) e 9(b) são gráficos que mostram diferentes intervalos de banda que podem ser usados para otimizar um dispositivo tandem;

[0034] As Figuras 10(a) e 10(b) são gráficos que mostram limites de eficiência prática de diversas das realizações reveladas aqui;

[0035] A Figura 11 é um diagrama que mostra o fluxo solar e a resposta fotóptica do olho humano; e

[0036] A Figura 12 é um diagrama que mostra um leitor eletrônico, smart phone e tela de exibição incluindo uma matriz fotovoltaica como revelado aqui.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0037] Estão descritos aqui desenhos de células solares aperfeiçoados, por exemplo, dispositivos fotovoltaicos orgânicos transparentes (TOPV). O termo transparente usado aqui engloba uma transparência visível média de um feixe direto de 45% ou mais. O termo semitransparentes usado aqui engloba uma transparência visível média de um feixe direto de aproximadamente 10%-45%. Em geral, os desenhos incluem camadas ativas moleculares com fortes características de absorção fora do espectro de luz visível, por exemplo, no espectro solar ultravioleta (UV) e/ou próximo do infravermelho (NIR). Os dispositivos podem incluir alta refletividade seletiva NIR e coberturas de contato antirreflexo de banda larga. Os dispositivos podem ser formados como células solares de heterojunção com uma camada ativa orgânica, como ftalocianina de cloro e alumínio (ClAlPc) ou SnPc como um doador e uma camada ativa molecular como C60 agindo como um receptor e tendo uma absorção-pico no espectro solar UV e NIR. Outros materiais adequados para as camadas ativas incluem qualquer ftalocianina, porfirina, corante de naftalocianina, nanotubos de carbono ou materiais excitônicos moleculares adequados com picos de absorção fora do espectro visível. Tais dispositivos podem ser formados numa estrutura tandem com uma ou mais subcélulas juntas através de uma área de recombinação. Tais dispositivos podem ser usados em uma variedade de aplicações incluindo telas de exibições de computador rígida e flexível usada em um monitor desktop, laptop ou notebook, tablet, telefone celular, leitores eletrônicos e similares. Outras aplicações incluem relógios de cristal, vidro automotivo e arquitetural incluindo tetos-solares e vidro fumê. Os dispositivos fotovoltaicos podem ser usados para geração de força ativa, por exemplo, para aplicações completamente auto-alimentadas e carregamento de bateria (ou extensão de vida da bateria).

[0038] Próximo do infravermelho (NIR) conforme relatado aqui é definido como a luz tendo comprimentos de ondas na variação de aproximadamente 650 a aproximadamente 850 nanômetros (nm). Ultravioleta (UV) conforme relatado aqui é definida como a luz tendo um comprimento de ondas inferior a aproximadamente 450 nanômetros. O uso de uma camada ativa tendo absorção no NIR e na UV permite o uso de coberturas de espelho de alta refletividade seletiva próximo do infravermelho para otimizar a performance do dispositivo enquanto também permite à auto transmissão de Luz visível por todo o dispositivo. Luz visível como relatada aqui é definida como a luz tendo comprimentos de ondas a qual o olho humano tem uma resposta significativa, de aproximadamente 450 a aproximadamente 650 nanômetros.

[0039] Em uma realização, os dispositivos foram fabricados em 150 nanômetros de Óxido de Índio e Estanho (ITO) padronizado (15 Q/sq.) pré-cobertos em substratos de vidro. O ITO é um componente de um eletrodo. O ITO foi limpo com solvente e subsequentemente tratado em plasma de oxigênio por 30 segundos imediatamente antes de carregá-lo em uma câmara de vácuo alta (<1x10-6 Torr) . ClAlPc e C60 foram purificados uma vez por sublimação de trem de vácuo antes do carregamento. Batocuproina (BCP) e trióxido de molibdênio (MoO3) foram usados assim que comprados. MoO3 é outro componente de um eletrodo. O MoO3 (20 nanômetros), ClAlPc (15 nanômetros), C60 (30 nanômetros), BCP (7,5 nanômetros) e um cátodo de Ag 100 nanômetros espesso foram sequencialmente depositados através de evaporação térmica em uma taxa de 0,1 nanômetros/seg. O cátodo de ITO do topo para os dispositivos transparentes foi depositado de rf diretamente nas camadas orgânicas a baixa potência (7-25 W) com 10 sccm de fluxo de Ar (6 mTorr) e 0,005-0,03 nanômetros/segundo. Os cátodos foram evaporados por uma máscara de sombra, definindo um dispositivo de área ativo de 1 milímetro (mm) x 1,2 mm. Um refletor Bragg distribuído (DBR) próximo do infravermelho utilizado como o espelho NIR transparente estava crescendo separadamente no quartzo através do deposito de 7 camadas alternadas de TÍO2 e SÍO2 em aproximadamente 0, 1 nanômetros/segundo com a espessura centrada em volta de um comprimento de onda de 800 nanômetros (200 nanômetros parada da banda). Coberturas antirreflexivas de banda larga (BBAR) pré-cobertas em substratos de quartzo (1-lado) foram anexas aos DBRs através do fluido compatível com o índice para reduzir reflexões de interface vidro/ar adicionais. Os dados de transmissão dos dispositivos montados foram obtidos em incidência normal com um espectrofotômetro de duplo feixe Cary Eclipse 5000 sem amostras de referência. As características da densidade de corrente versus tensão (J-V) foram medidas no escuro e sob iluminação solar AM1.5G simulada sem correção de incompatibilidade (para referência, o fator de incompatibilidade foi estimado em ~1,05) e as medições da eficiência quântica externa (EQE) foram coletadas utilizando um detector de Si calibrado NREL. Foi realizado modelamento de interferência óptica de acordo com o método de L. A. A. Pettersson, L. S. Roman e O. Inganas, Journal of Applied Physics 86, 487 (1999), conteúdos esses que foram aqui incorporados por referência. Os comprimentos de difusão do éxciton de ClAlPc e C60 foram estimados a partir de adequação das magnitudes da corrente de foto e EQE sendo 5 ± 3 nanômetros e 10 ± 5 nanômetros, respectivamente.

[0040] A Figura 1(a) mostra um esquema de uma célula solar de controle 10. A célula solar de controle inclui um substrato 11, um ânodo 12, uma camada doadora 13, por exemplo, ClAlPc, uma molecular de camada ativa, por exemplo, C60, atuando como uma camada de receptor 14 e um cátodo 15. Neste exemplo, o ânodo 15 é opaco, por exemplo, prata. A figura 1(b) mostra um esquema de uma célula solar transparente completa 20. O dispositivo 20 geralmente inclui um substrato transparente 21, um ânodo 22, uma camada doadora 23, por exemplo, ClAlPc, uma camada ativa molecular, por exemplo, C60, atuando como uma camada receptora 24, e um cátodo 25. A camada doadora 23 e a camada receptora 24 têm picos de absorção no espectro ultravioleta (UV) e próximo do infravermelho (NIR). Neste exemplo, o substrato é quartzo. Deve ser entendido que uma variedade de substratos rígidos e flexíveis pode ser usada. Por exemplo, o substrato pode ser vidro, um polímero rígido ou flexível, por exemplo, um protetor de tela ou película, ou pode ser combinado com outras camadas como camadas encapsulantes, camadas antirreflexivas ou similares. Neste exemplo, o ânodo transparente 22 e cátodo 25 são formados por óxido condutor, por exemplo, ITO/MoO3. Deve ser entendido que o ânodo 22 e cátodo 25 podem ser formados de outros materiais como óxidos de estanho, óxidos de estanho fluorados, nanotubos, Poli(3,4- etilenodioxitiofeno) (PDOT) ou PEDOT:PSS (Poli(3,4- etilenodioxitiofeno) poli(stirenosulfonato)), óxido de zinco dopado com gálio, óxido de zinco dopado com alumínio e outros materiais tendo transparência adequada e condutividade. O dispositivo 20 também pode incluir um DBR 26 próximo do infravermelho e uma ou mais coberturas antirreflexivas de banda larga (BBAR) 27.

[0041] A Figura 1(c) é um gráfico que mostra o coeficiente de extinção, k, das camadas ativas mostrado nas Figuras 1(a) e 1(b). A Figura 1(d) é um gráfico que mostra as curvas de corrente-tensão (J-V) para o controle ClAlPc-C6o e células transparentes das Figuras 1(a) e 1(b) para uma variação das espessuras de ITO. O pico de absorção para ClAlPc é posicionado na variação NIR (~740 nanômetros). Isto permite a incorporação de um espelho refletor de NIR e otimização simultânea da performance de células solares e transmissividade visível como diagramado nas Figuras 1 (a) e 1(b). Deve ser entendido que as camadas doadora e/ou receptora podem ter um ou mais picos de absorção fora do espectro visual. Neste exemplo, o ClAlPc também tem um segundo pico de absorção na variação UV. Um resumo das várias performances do dispositivo está provido na Tabela 1.

[0042] A Tabela 1 geralmente inclui dados quemostram a performance de OPVs de controle com um cátodo de Ag, OPVs transparentes sem cátodo ITO, e OPVs com cátodo de ITO e espelho NIR, em iluminação solar de 0,8 corrigida pelo espectro solar incompatível. A corrente de curto circuito, JSC, circuito de tensão aberta, VOC, fator de preenchimento, FF, eficiência de conversão de potência, Dp, e a transmissão visível média, AVT, são indicados. O dispositivo de controle com um cátodo de Ag espesso exibe uma eficiência de conversão de potência (Dp) de 1,9±0,2%, tensão de circuito aberto (Voc) = 0,80±0,02 V, densidade de corrente de curto-circuito (Jsc) = 4,7±0,3 mA/cm2, e fator de preenchimento (FF) = 0,55±0,03, que é comparável aos relatórios anteriores.

[0043] Quando o cátodo de Ag da célula de controle é substituído por ITO, a corrente de curto-circuito Jsc cai significativamente para 1,5±0,1 mA/cm2, a FF cai para 0,35±0,02, e a tensão de circuito aberto Voc baixa discretamente para 0,7±0,02 V levando a Dp = 0,4±0,1%. A FF diminui devido a um aumento nas resistências em série do ITO fino que é observável na curva J-V sobre viés à frente na Figura 1(c). A Figura 2(a) é um gráfico que mostra a diminuição da resistência em série e a saturação de FF perto do valor para a célula de controle como a espessura de ITO é aumentada. Nas Figuras 2(a) e 2(b), as linhas sólidas são das simulações atuais, as linhas pontilhadas são simplesmente guias aos olhos. A pequena queda no Voc, independentemente da espessura de ITO, é provavelmente devido a uma pequena redução na função de trabalho cátodo-ânodo deslocado. Não obstante, é notável que quando utilizamos ITO tanto como ânodo e cátodo há bastante deposição anisotrópica em função do trabalho para suportar este largo Voc e é provavelmente ajudado pela função de trabalho larga da camada MoO3.

[0044] O Jsc diminui enquanto o cátodo é trocado de Ag para ITO devido às reflexões de cátodo reduzidas que reduziram a absorção total pelo espectro nas camadas ativas. A Figura 2(b) é um gráfico que mostra aumento da corrente de foto por um fator de 3x em uma espessura otimizada de 120 nanômetros, então este aumento de Dp aumenta aproximadamente a mesma quantidade. Adequando estes dados com o modelo de interferência, o modelo de interferência óptica mostra que este comportamento detém interferência a partir do reflexo de cátodo de ITO traseiro. A Figura 3(a) é um gráfico que mostra EQE como uma função do comprimento de onda para diversas espessuras de ITO e camadas de controle com e sem os espelhos refletores de NIRs. A variedade fotóptica visível aproximada é destacada por linhas verticais tracejadas. A Figura 3(b) é um gráfico que mostra a % de transmissão como uma função do comprimento de onda para diversas espessuras de ITO e camadas de controle. Comparando EQE e a transmissão dos dispositivos apenas-ITO, a absorção para a espessura mais fina e otimizada espessura parece equivalente. A inspeção das simulações mostra, no entanto, que a distribuição do campo NIR é transferida a partir de dentro do ânodo ITO para a camada ativa ClAlPc enquanto o cátodo de espessura de ITO aumenta, de modo que a transmissão total pareça a mesma mesmo se a camada ativa absorção mude substancialmente. Isto destaca um importante aspecto das arquiteturas de OPV transparentes; apesar da aparente simples configuração óptica, o gerenciamento de interferência ainda é crucial para a otimização do dispositivo, particularmente para as células de absorção NIR e para materiais com comprimentos de difusão de éxciton baixos.

[0045] Apesar do impacto significativo na corrente de foto, a transmissividade visível média (AVT) mostra pouca variação com espessura de ITO (vide, por exemplo, Figura 2(a)). O modelo óptico prevê uma pequena queda na AVT com espessuras de ITO que não é observada experimentalmente, possivelmente devido às incertezas do parâmetro modelo ou constantes ópticas variantes durante crescimentos de ITO mais espessos. As células otimizadas sem o espelho NIR mostram valores de transmissão mín (máx) de 50% (74%) a 450 nanômetros (540 nanômetros) e um AVT de 65% (desvio padrão de 7%) . Esses valores de transmissão diminuem pouco com a incorporação do refletor NIR para valores de transmissão mín (máx) de 47% (68%) a 450 nanômetros (560 nanômetros) e um AVT de 56% (desvio padrão de 5%) , em que esta redução resulta a partir de reflexos visíveis fora da ressonância aumentados do espelho. É possível remover as oscilações de reflexo fora da ressonância no espectro visível ao desenhar arquiteturas de espelho quente mais complexas a fim de aperfeiçoar o AVT mais perto a aquele da célula sem o espelho NIR, mas isto tipicamente requer um número superior de camadas. As arquiteturas de espelho quente estão descritas em A. Thelen, Thin Films for Optical Systems 1782, 2 (1993), que está aqui incorporado por referência. A alta reflexividade de 99% entre 695-910 nanômetros também torna esses dispositivos úteis para rejeições de NIR simultâneas no resfriamento arquitetônico. Adicionalmente, o uso das coberturas BBAR próximas ao DBR (acoplamento para fora) e abaixo dos substratos (acoplamento para dentro), resultados em um aumento concomitante na eficiência quântica de ~2-3% e o AVT de ~4-6%.

[0046] A Figura 3(c) mostra o simulador de espectro solar simulado (eixo esquerdo) exibindo características de lâmpadas-Xe e NREL relatada mc-Si de eficiência quântica externa (EQE) para o diodo-referência usado para medir a intensidade simulada solar (eixo direito). Devido à responsividade do diodo de referência que estende significativamente além da resposta da célula OPV, a luz extra NIR do simulador solar (comparada ao espectro AM1.5G) resulta em fatores de incompatibilidade solar inferiores que 1. A Figura 3(d) mostra a refletividade medida (eixo esquerdo, círculos) e calculada (eixo esquerdo, linha sólida) do refletor Bragg distribuído usado neste estudo como espelho NIR transparente. Também é mostrado o espectro de transmissão (eixo direito) das coberturas antirreflexo de banda larga (BBAR).

[0047] Para destacar a transparência do dispositivo totalmente montado, as Figuras 4a e 4b mostram uma matriz de células solares em frente de uma imagem de uma “rosa”. Tanto o detalhe da imagem e a claridade da cor são minimamente rompidos, de modo que detalhes do padrão de matriz do dispositivo são ainda mais difíceis de discernir. Neste exemplo a matriz tem um cátodo comum 2 5a e uma pluralidade de ânodos 22a. O dispositivo também inclui uma área ativa 30 que inclui a(s) camada(s) doadora(s), camada(s) receptora(s) e os espelhos reflexíveis. Neste exemplo particular, uma matriz de 10 dispositivos individuais OPV é formada no substrato 21a. A Figura 4(c) mostra a matriz ligada na força de um relógio de LCD. As Figuras 4(d) e 4(e) mostram uma realização alternativa de uma matriz de célula solar posicionada em frente de uma imagem de uma “montanha” para destacar a transparência do dispositivo totalmente montado.

[0048] A Figura 4(f) é uma imagem de uma montagem de circuito completa (esquerda). As conexões elétricas são feitas aos contatos ITO do dispositivo OPV (matriz) através de uma fita de carbono. O relógio de LCD é conectado ao circuito (direita) que limita a tensão e passa o excesso de corrente a um pequeno LED de modo que o relógio funcione por uma variação larga de condições de iluminação OPV. O relógio de LCD requer aproximadamente 1,5 V e 1O μA e pode funcionar por células solares para intensidades > 0,05 sóis (repare que sob luz ambiente < 0,01 sol, o relógio desliga).

[0049] Otimizando a estrutura transparente OPV com apenas a espessura do cátodo, a eficiência de conversão de potência de 1,0±0,1% é obtida com uma transmissão média simultânea de 66±3%. A incorporação do refletor NIR e coberturas BBAR com o ITO de espessura otimizada (vide Figura 2(a) ) aperfeiçoa a eficiência de conversão de potência para 1,4±0,1% com uma transmissão média de 56±2%. Com o espelho NIR, o aumento na eficiência de conversão de potência detida de corrente de foto NIR adicional na camada CLAlPc em que o EQE mostra quase o dobro do pico ClAlPc EQE de 10% para 18% (vide Figura 3(a)). A eficiência de potência otimizada é quase o triplo daquela de um dispositivo planar de ftalocianina de cobre semitransparente de absorção visível existente enquanto também exibindo 30% mais transmissão média, mas é um pouco menos eficiente (0,75x) do que as estruturas de heterojunção de bulk semitransparente que ganham eficiência da camada ativa de absorção no visível e subsequentemente têm perto da metade da transmissão.

[0050] Trocando das heterojunções planares para as de bulk nessas estruturas, eficiências de 2-3% podem ser possíveis para este conjunto de material com transmissão visível quase idêntica, e está atualmente sob investigação. O empilhamento de tandem de subcélulas com profunda camada ativa absorção no infravermelho também pode melhorar essas eficiências; combinado com espelhos NIRs mais sofisticados, eficiências até de diversos porcentos e a transmissão visível média >70% são possíveis.

[0051] Em outra realização, SnPc, por exemplo, SnPc-C60, pode ser usado para construir células solares transparentes. Desenhos de células solares com base no SnPc podem alcançar eficiência >2% de células solares com >70% de transmissão de luz visível (~70% da média de transmissão através do espectro visível). As seguintes camadas foram usadas neste exemplo: ITO / SnPc (1O nanômetros) / C60(30 nanômetros) / BCP (1O nanômetros) / ITO (1O nanômetros) / DBR. Neste exemplo, o ITO foi diretamente depositado. Os refletores Bragg distribuídos (DBR) foram aplicados com fluido compatível com o índice (IMF) . A Figura 5(a) é um gráfico que mostra o EQE como uma função do comprimento de onda para o dispositivo SnPc. A Figura 5(b) é um gráfico que mostra a transmissividade como uma função do comprimento de onda para o dispositivo SnPc TOPV completo. Um resumo de várias performances de dispositivo é provido na Tabela 2:

Tabela 2

[0052] O dispositivo pode incluir um espelho NIR (transparente à luz visível) composto tanto de metal/oxido (por exemplo, TiO2/Ag/TiO2) quanto de pilhas dielétricas (DBRs, por exemplo, consistindo de SiO2TiO2) . As coberturas antirreflexo podem ser compostas de um único ou múltiplos materiais dielétricos de multicamadas. Como percebido acima, a camada ativa molecular também pode ser composta de qualquer ftalocianina adequada, porfirina, corante de naftalocianina, nanotubo de carbono, ou materiais excitônicos moleculares com picos de absorção fora do espectro visível.

[0053] A Figura 6(a) é um gráfico que mostra uma comparação entre desenhos de SnPc e C1A1Pc de referência (opaco). Um resumo de várias performances de dispositivo é provido na Tabela 3:

Tabela 3

[0054] A Figura 6(b) é um gráfico que mostra uma cerca elétrica e o efeito da espessura do cátodo ITO. O campo óptico calculado, | E | 2, do OVP transparente como uma função de posição a um comprimento de onda fixo perto do pico de absorção da camada ativa de ClAlPc (~740 nanômetros) para um cátodo de espessura de ITO de 20 nanômetros (linha preta) e 120 nanômetros (linha vermelha). Perceba a melhora do campo na camada ClAlPc para o ITO de espessura otimizada, em que a absorção é proporcional a | E | 2 integrado sobre a posição. Em geral, há uma forte dependência da espessura do ITO.

[0055] As Figuras 6(c) e 6(d) mostram as simulações de matriz de transferência da transmissão visível média (AVT, coluna esquerda) e corrente de curto-circuito (coluna direita) da arquitetura OPV transparente como uma função das espessuras do ânodo e cátodo ITO sem um espelho NIR. As Figuras 6(e) e 6(f) mostram as simulações de matriz de transferência da transmissão visível média (AVT, coluna esquerda) e corrente de curto-circuito (coluna direita) da arquitetura OPV transparente como uma função das espessuras do ânodo e cátodo ITO com um espelho NIR. A linha tracejada vertical indica a espessura do ânodo ITO utilizado neste estudo. A estrutura de camada ativa foi Ânodo/MoO3(20 nanômetros) / ClAlPc (15 nanômetros) / C60 (30 nanômetros) / BCP (7,5 nanômetros) / Cátodo em que os comprimentos de difusão do éxciton de ClAlPc e C60 foram estimados a partir da adequação das magnitudes da corrente de foto e EQE da célula de controle sendo 8±4 nanômetros e 15±6 nanômetros, respectivamente.

[0056] A estrutura mostrada na Figura 1(b) inclui camadas discretas para o doador, por exemplo, ClAlPc ou SnPc, e para o receptor, por exemplo, C60. Deve ser entendido que o doador e o receptor possam ser combinados em uma camada única ou mista como mostrado geralmente na Figura 7. Nesta realização o dispositivo 40 pode ter uma camada mista 46 incluindo tanto um doador como um receptor. A camada mista geralmente tem uma espessura dmisturado como mostrado. O dispositivo 40 pode opcionalmente incluir uma camada doadora discreta 48 e/ou camada receptora 46. A camada doadora 48, se presente, tem uma espessura dDoador como mostrada. A camada receptora 46, se presente, tem uma espessura dReceptor como mostrado. Deve ser entendido que a Figura 7 está simplificada por questões de clareza e pode incluir camadas adicionais que não são mostradas. Neste exemplo, o dispositivo 40 também inclui um cátodo transparente 42 e um ânodo transparente 50. As espessuras de cada camada podem ser selecionadas como geralmente delineado acima. Deve ser entendido que tal estrutura também pode incluir outras camadas incluindo camadas antirrefletivas e camadas de espelho como reveladas nas várias realizações aqui.

[0057] Um processo de otimização pode geralmente ser apresentado do seguinte modo: i) Otimizar para dDoador, dReceptor (total) ; ii) Consertar dDoador, dReceptor (total) ; iii) Variar dmi sturado; iv) dDoador dDoador (total) - (dmisturado/2) ; v) dReceptor = dReceptor (total) - (dmisturado/2) ; e vi) Otimizar para relação (dDoador:dReceptor).

[0058] Para dispositivos tendo apenas uma camada mista, a otimização pode incluir um ajuste da espessura da camada mista (etapa iii) e um ajuste da razão dDoador dReceptor (etapa vi).

[0059] A Figura 8 é um diagrama de bloco de um dispositivo tandem 60. O dispositivo 60 geralmente inclui pelo menos uma primeira e segunda células 66, 68. Cada célula pode ter a estrutura geralmente revelada acima. Cada uma da primeira e segunda função de células 66, 68 tem subcélulas transparentes. Cada uma pode ter uma responsividade espectral NIR variante. Cada uma das primeiras e segundas células podem ter picos de absorção no comprimento de ondas fora do espectro de luz visível. A zona de recombinação 72a está disposta entre a primeira e segunda células 66, 68. A área de recombinação pode ser composta de uma variedade de componentes incluindo, por exemplo, ITO (0,5-10 nanômetros), ou BCP/Ag (0,1-2 nanômetros) / MoOx. As áreas de recombinações adicionais estão dispostas entre pares subsequentes de subcélulas como geralmente mostrado pelo número de referência 72b. Deve ser entendido que aquela Figura 8 está simplificada devido às questões de claridade e pode incluir camadas adicionais que não são mostradas. Neste exemplo, o dispositivo 60 também inclui um cátodo 62 e um ânodo 70. O dispositivo pode opcionalmente incluir um espelho transparente NIR 62. As Figuras 9(a) e 9(b) são gráficos que mostram os diferentes intervalos de banda associados a materiais que podem ser usados para otimizar um dispositivo, por exemplo, US J. Aggregate (Figura 9(a)) e nanotubos de carbono (Figura 9(b)).

[0060] Deve ser entendido que intervalos de banda múltiplos podem ser selecionados para camadas sucessivas empilhadas em um dispositivo tandem para produzir um dispositivo com a eficiência desejada. Em tais dispositivos, a transparência total é aperfeiçoada em relação aos dispositivos que são fabricados de forma independente e pós-integrados ou combinado macroscopicamente. Isto é possível porque tal dispositivo beneficia-se de um índice compatível fielmente de refração em cada interface entre as camadas sucessivas. A estrutura empilhada pode ser transparente ou semitransparente.

[0061] As Figuras 10(a) e 10(b) são gráficos que mostram os limites de eficiência prática de diversas realizações reveladas aqui. A Figura 11 é um diagrama que mostra o fluxo solar e a resposta fotóptica do olho humano. Em geral, a resposta fotóptica dos picos do olho humano no espectro verde 530-500 nanômetros se afilia abaixo de 450 nanômetros a acima de 650 nanômetros.

[0062] A figura 12 é um diagrama que mostra um leitor eletrônico 80, smart phone 82 e tela de exibição 84 incluindo matrizes fotovoltaicas 86, 88 e 90 dispostas em suas respectivas telas de exibição. Deve ser entendido que uma variedade de dispositivos pode incorporar os dispositivos fotovoltaicos revelados aqui e/ou matrizes de tais dispositivos. Outras aplicações incluem relógios de cristal, vidro automotivo e arquitetural incluindo tetos-solares e vidro fumê. Os dispositivos fotovoltaicos podem ser usados para geração de força ativa, por exemplo, para aplicações completamente auto-alimentadas e carregamento de bateria (ou extensão de vida da bateria).

[0063] Concluindo, a absorção próxima do infravermelho, células solares orgânicas planares transparentes com uma potência máxima de 1,4±0,1% e transmissão visível média excedendo 55±2% foram demonstradas. Esta transmissão visível média é suficientemente transparente para incorporação em um vidro arquitetural. O caráter excitônico dos semicondutores orgânicos é vantajosamente explorado para produzir arquiteturas fotovoltaicas únicas de difícil acesso através de semicondutores inorgânicos. Ao posicionar a absorção da camada ativa de modo seletivo no NIR é possível otimizar a arquitetura usando um refletor NIR composto de um espelho DBR centralizado em 800 nanômetros que resulta em células solares transparentes de eficiência se aproximando daquela de célula não-transparente de controle. Ultimamente estes dispositivos provêm um guia para alcançar alta eficiência e células solares de alta transparência que podem ser utilizadas em janelas para gerar potência, reduzir custos de resfriamento, e vasculhar energia em uma variedade de aplicações.

Claims

1. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, caracterizada por compreender: um substrato transparente, um primeiro material ativo transparente sobreposto ao substrato transparente, o primeiro material ativo transparente tendo um pico de absorção em um comprimento de onda superior a aproximadamente 650 nanômetros, sendo o pico de absorção do primeiro material ativo transparente maior que a absorção do primeiro material ativo transparente em qualquer comprimento de onda entre 450 e 650 nanômetros; um segundo material ativo transparente sobreposto ao substrato transparente, o segundo material ativo transparente tendo um pico de absorção em um comprimento de onda entre 300 e 450 nanômetros ou entre 650 e 2500 nanômetros, sendo o pico de absorção do segundo material ativo transparente maior que a absorção do segundo material ativo transparente em qualquer comprimento de onda entre 450 e 650 nanômetros; um cátodo transparente; e um ânodo transparente; a célula fotovoltaica transparente tendo pelo menos um pico de absorção em um comprimento de onda maior que 650 nanômetros que é maior que a absorção da célula fotovoltaica transparente em qualquer comprimento de onda entre 450 e 650 nanômetros, em que a célula fotovoltaica transparente é operável para transmitir luz visível com comprimentos de onda entre 450 e 650 nanômetros.

2. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por pelo menos um dentre o cátodo transparente e ânodo transparente ser configurado para maximizar a absorção no primeiro material ativo transparente.

3. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por pelo menos um dentre o cátodo transparente e o ânodo transparente ser configurado para maximizar a absorção no segundo material ativo transparente.

4. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo primeiro material ativo transparente e o segundo material ativo transparente estarem localizados em camadas separadas.

5. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo primeiro material ativo transparente possuir um segundo pico de absorção em um comprimento de onda inferior a 450 nanômetros.

6. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo primeiro material ativo transparente ser um doador e o segundo material ativo transparente ser um receptor.

7. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender ainda um refletor visivelmente transparente que reflete em comprimentos de onda próximos do infravermelho.

8. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiro material ativo transparente é caracterizado por compreender um material orgânico.

9. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiro material ativo transparente é caracterizado por compreender pelo menos um entre: uma ftalocianina, uma porfirina, um corante de naftalocianina ou nanotubos.

10. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiro material ativo transparente é caracterizado por compreender ftalocianina de cloro e alumínio.

11. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiro material ativo transparente é caracterizado por compreender estanho- ftalocianina.

12. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, em que o segundo material ativo transparente é caracterizado por compreender pelo menos um dos carbonos 60 (C60) ou um nanotubo.

13. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo primeiro e segundo materiais ativos transparentes serem configurados para utilizar com camadas de encapsulação flexível.

14. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, em que a célula fotovoltaica transparente é incorporada em um de uma tela de exibição, um relógio de cristal, vidro automotivo ou vidro arquitetural.

15. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo substrato transparente ser flexível.

16. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, caracterizada por compreender: um substrato transparente; um primeiro material ativo sobreposto ao substrato transparente, o primeiro material ativo transparente tendo um pico de absorção em um comprimento de onda entre 300 e 450 nanômetros ou entre 650 e 2500 nanômetros, sendo o pico de absorção do primeiro material ativo transparente maior que a absorção do primeiro material ativo transparente em qualquer comprimento de onda entre 450 e 650 nanômetros; um segundo material ativo transparente sobreposto ao substrato transparente, o segundo material ativo transparente tendo um pico de absorção em um comprimento de onda superior a 650 nanômetros ou inferior a 450 nanômetros, sendo o pico de absorção do segundo material ativo transparente maior que qualquer comprimento de onda entre 450 e 650 nanômetros; um cátodo transparente e um ânodo transparente; a célula fotovoltaica transparente tendo pelo menos um pico de absorção em um comprimento de onda maior que 650 nanômetros que é maior que a absorção da célula fotovoltaica transparente em qualquer comprimento de onda entre 450 e 650 nanômetros, em que a célula fotovoltaica transparente é operável para transmitir luz com comprimentos de onda entre 450 e 650 nanômetros.

17. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo refletor visivelmente transparente ser um refletor de Bragg distribuído em várias camadas (DBR).

18. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo ânodo transparente compreender um óxido condutor transparente.

19. CÉLULA FOTOVOLTAICA TRANSPARENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo cátodo transparente compreender um óxido condutor transparente.

20. MATRIZ FOTOVOLTAICA, caracterizada por compreender uma pluralidade de células fotovoltaicas transparentes eletricamente interconectadas, conforme definido na reivindicação 1.

21. MÉTODO PARA GERAR ELETRICIDADE, sendo o método caracterizado por compreender: a provisão de uma célula fotovoltaica transparente compreendendo: um substrato transparente, um primeiro material ativo transparente sobreposto ao substrato transparente, o primeiro material ativo transparente tendo um pico de absorção em um comprimento de onda superior a 650 nanômetros, sendo o pico de absorção do primeiro material ativo transparente maior que a absorção do primeiro material ativo transparente em qualquer comprimento de onda entre 450 e 650 nanômetros; um segundo material ativo transparente sobreposto ao substrato transparente, o segundo material ativo transparente tendo um pico de absorção em um comprimento de onda entre 300 e 450 nanômetros ou entre 650 e 2500 nanômetros, sendo o pico de absorção do segundo material ativo transparente maior que a absorção do segundo material ativo transparente em qualquer comprimento de onda entre 450 e 650 nanômetros; um cátodo transparente; e um ânodo transparente; a célula fotovoltaica transparente tendo pelo menos um pico de absorção em um comprimento de onda maior que 650 nanômetros que é maior que a absorção da célula fotovoltaica transparente em qualquer comprimento de onda entre 450 e 650 nanômetros, em que a célula fotovoltaica transparente é operável para transmitir luz visível com comprimentos de onda entre 450 e 650 nanômetros; expor a célula fotovoltaica a uma fonte de luz.

22. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por compreender ainda o fornecimento de uma multicamada refletora para refletir uma luz próxima ao infravermelho.

23. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo refletor multicamada compreender um refletor Bragg com multicamada distribuída (DBR).

24. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo primeiro material ativo transparente e o segundo material ativo transparente estarem localizados em camadas separadas.

25. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo primeiro material ativo transparente ter um segundo pico de absorção em um comprimento de onda menor que 450 nanômetros.

26. MÉTODO, de acordo coma reivindicação 21, caracterizado pelo primeiro material ativo transparente ser um doador e o segundo material ativo transparente ser um receptor.

27. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo primeiro material ativo transparente compreender um material orgânico.

28. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo primeiro material ativo transparente compreender pelo menos um entre: uma ftalocianina, uma porfirina, um corante de naftalocianina ou nanotubos.

29. MÉTODO, de acordo com a reinvindicação 21, caracterizado pelo primeiro material ativo transparente compreender ftalocianina de cloro e alumínio.

30. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo primeiro material ativo transparente compreender estanho-ftalocianina.

31. MÉTODO, de acordo coma reivindicação 21, caracterizado pelo segundo material ativo transparente compreender pelo menos um dos carbonos 60 (C60) ou um nanotubo.

32. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo substrato transparente ser flexível.