CN101384908A - 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) - Google Patents

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Abstract

一种光伏装置，具有光伏电池和光子转换元件。光子转换元件在其组成中包含光子转换材料。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。

Description

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)
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)。
图1是根据本发明的一个实施方案的光伏装置100的示意图。光伏装置100具有形成在基板104上或者以其它方式附着在基板104上的光伏电池102。基板具有形成在所述基板104的光入射侧上或者以其它方式附着在光入射侧上的光子转换元件106。光伏装置100可以任选地包括在光子转换元件106的光入射侧上的保护层108。光伏电池102可以是有机或无机光伏电池。图1示出光伏电池102是有机光伏电池的例子。例如，它可以是小分子有机光伏电池和/或聚合物光伏电池。光伏电池102可以构建为具有透明阳极、金属阴极以及在二者之间的活性材料层。该结构也可以更加复杂，例如是可以提供更高光子转换效率的堆层结构。活性材料层可以是活性有机材料。在一个实施方案中，活性材料层可以是有机三线态材料(organic triplet material)。但是，本发明的一般概念并不限于光伏电池102的特定结构和材料。基板104可以选自用于构造光伏电池的常规材料，例如对于所期望的应用在期望的运行波长范围内具有足够高的透明度。
光子转换元件106可以形成在或涂覆在基板104的光入射侧上。或者，光子转换元件106也可以形成在单独的膜上并附着在基板104的光入射侧的前面。光子转换元件106可以在其组成中包含有机、无机、荧光体、有机三线态材料、纳米颗粒和/或光带隙材料。实施方案中所包括的保护层108可以置于光子转换元件106的前面或作为光子转换元件106的一部分。例如，PCM可以加入到塑料或玻璃中以提供组合的光子转换元件和保护层。
图2是根据本发明一个实施方案的光伏装置200的示意图。光伏装置200具有形成在基板204上或者以其它方式附着在基板204上的光伏电池202。光伏电池202可以选自与上述光伏电池102类似或基本相同的光伏电池。基板204中加入有PCM并因此成为光子转换元件。基板204可以包括玻璃、塑料和/或其它材料。在本发明的一些实施方案中，可以通过将光子转换材料加入到基板中而延长该光子转换材料的寿命。将PCM加入到基板204中的一种方法可以是通过溶胶-凝胶工艺来制备基板，在制备的过程中加入PCM材料。
图3是根据本发明一个实施方案的光伏装置300的示意图。光伏装置300具有形成在基板304上或者以其它方式附着在基板304上的光伏电池302。光伏电池302可以选自与上述光伏电池102和202类似或基本相同的光伏电池。光伏电池302/基板304包封在保护外壳306中。保护外壳306也具有包含在其中的PCM以提供光子转换层。外壳306内的PCM可以是液体(例如溶剂或油基)、凝胶、纳米颗粒或固体的形式。保护外壳306用作容器，以容纳装置的光伏电池302/基板304以及光子转换材料。保护外壳306的外侧可以用作免受环境影响的第一级保护。在外壳内部可以包含不活泼气体例如氩和/或氮，以便提供压力以防止氧和其它有害气体或湿气渗透进入外壳306而到达光伏电池302。
实施例
在一个具体的实施例中，我们通过缓慢生长方法使用P3HT:PCBM体系来说明一些概念。在图4中示出EQE谱对波长的曲线。在UV区(300～400nm)，EQE为～40％，而在可见光区(450-600nm)，EQE超过60％。通过利用发射蓝光(峰值在450nm)的蓝色发光聚合物，该体系提供了本发明的一些概念的示例。
图5和6显示在太阳能电池玻璃基板的反面上加入蓝色聚芴的影响。分别在AM 0(2.1日光)和AM 1.5(1.3日光)下进行测试。在加入蓝色聚合物之后，在两种情况下都观察到5％的很小的效率下降。虽然由于UV和可见光区中的相当的量子效率和光的非理想光致发光(PL)效率而导致效率稍微下降，但是电池的寿命由于减少了UV光对聚合物太阳能电池的损伤而增加。
已经相对于各种实施方案详细描述了本发明，对本领域技术人员而言，显而易见的是可以在不脱离本发明的广义范围的情况下进行变化和修改，因此由权利要求所限定的本发明旨在覆盖落入本发明实质精神范围内的所有此类变化和修改。

Claims (20)

1.一种光伏装置，包括:
光伏电池，和
光子转换元件，所述光子转换元件以紧邻所述光伏电池的方式和与所述光伏电池成为一体的方式中的至少一种方式来设置，所述光子转换元件包含光子转换材料，
其中在所述光伏装置运行时，所述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，所述第二波长大于所述第一波长，其中具有所述第二波长的光子具有至少如下特征之一:对所述光伏电池的损伤比具有所述第一波长的光子更小或者转换成电流的效率比具有所述第一波长的光子更高。
2.根据权利要求1的光伏装置，还包括基板，在所述基板上形成有所述光伏电池，其中所述光子转换元件形成在所述基板的光入射侧上。
3.根据权利要求2的光伏装置，还包括形成在所述光子转换材料的光入射侧上的保护层，所述保护层适合于阻挡至少一部分具有对所述光伏电池、所述基板和所述光子转换元件中的至少其一有害的波长的入射光子。
4.根据权利要求3的光伏装置，其中所述保护层是光吸收层和构造成反射回至少一些有害光的反射涂层中的至少其一。
5.根据权利要求3的光伏装置，其中所述保护层是构造为反射在所述第一光谱范围中的至少一部分光子的反射层，并用作在所述第二光谱范围中的光子的抗反射层。
6.根据权利要求3的光伏装置，其中所述保护层是构造为反射在所述第一光谱范围中至少一部分光子的反射层，并且所述保护层构造为在所述光伏电池内为在所述第二光谱范围中的光子提供多重内反射，以使所述光伏电池能够通过所述光伏电池内的多重内反射来更好吸收长波长光子。
7.根据权利要求1的光伏装置，还包括基板，在所述基板上形成有所述光伏电池，所述基板在其组成中包含所述光子转换材料。
8.根据权利要求7的光伏装置，其中所述基板设置在所述光伏电池的光入射侧上。
9.根据权利要求1的光伏装置，还包括保护外壳，所述光伏电池和所述光子转换元件包封在所述保护外壳中。
10.根据权利要求9的光伏装置，其中所述外壳是包括两个玻璃板的玻璃外壳，其中所述光伏电池和所述光子转换元件夹在所述两个玻璃板之间，并且其中所述光伏装置适合于安装在建筑物上作为窗口来发电。
11.根据权利要求10的光伏装置，其中在所述两个玻璃板之间产生真空以进一步保护所述光伏电池。
12.根据权利要求9的光伏装置，还包括包封在所述保护外壳中的不活泼气体。
13.根据权利要求1的光伏装置，其中所述光子转换材料选自有机光子转换材料、无机光子转换材料、磷光体、有机三线态化合物、纳米颗粒和光带隙材料中的至少其一。
14.根据权利要求1的光伏装置，其中所述光子转换材料具有液体、凝胶、溶胶-凝胶、纳米颗粒或固体中的至少其一的形式。
15.根据权利要求1的光伏装置，其中所述光伏电池为有机光伏电池。
16.根据权利要求15的光伏装置，其中所述有机光伏电池为小分子有机光伏电池。
17.根据权利要求15的光伏装置，其中所述有机光伏电池为低聚物光伏电池。
18.根据权利要求15的光伏装置，其中所述有极光伏电池为聚合物光伏电池。
19.根据权利要求1的光伏装置，其中所述光伏电池为无机光伏电池。
20.一种发电的方法，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，其中所述第二光谱范围具有比所述第一光谱范围更长的波长；和
将至少一部分所述经转换的光子转换为电能。
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