CN101911310A - 太阳能草皮:获取太阳能的人工草皮 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能草皮单元，具有多个太阳能片，每个片包括设置在其间的给受体共轭聚合物(DA-CP)并与工作电极和反电极电接触，其中所述电极中的至少一个透明并且多个太阳能片具有相同或者不同的颜色例如绿色的相同或者不同的DA-CP。所述太阳能草皮包括具有被绝缘体隔开的第一导电表面和第二导电表面的互联条。工作电极电连接至第一导电表面而反电极电连接至第二导电表面。太阳能草皮单元可组合为获取光能以输出电的装置。太阳能草皮装置可具有草坪或者其它植物、菌类、岩石、砂或者动物的外观。
Description
相关申请的交叉引用
本申请请求享有2007年12月28日提交的序列号为60/990,807的美国临时申请的权益，其包括任何附图、表格、或者图画的整体内容在此引入作为参考。
背景技术
由于其持久性和实际上的免维护运行，人工草皮用于运动场和景观应用中。在难以获得水的区域这一点特别受到关注。到达人工草皮的日光通常废弃了。采用大面积的人工草皮以将日光转换为有用能量将具有巨大的经济价值。
因此，有利的是提供能够将日光转换为电能的人工草皮或景观所共有的其它物品，以及制造获取光的人工草皮所需要的任何材料或者方法。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种获取光的人工草皮的太阳能片组件，其中每个片用作太阳能电池，太阳能电池包括工作电极和反电极，所述反电极设置在包括至少一种给受体共轭聚合物(DA-CP)的材料附近，在所述聚合物中多个给体重复单元与受体重复单元耦合。DA-CP可溶解于一种或者多种溶剂中并且在自然状态下为绿色。太阳能片可以为弹性的并用作草坪。
DA-CP可具有基于取代二氧杂环的给体基，而所述二氧杂环可以为：二氧基噻吩，如亚烷基二氧基噻吩，例如3，4-亚丙基二氧基噻吩。所述受体可以为电子缺乏的芳族单元，例如取代或者未取代的苯并噻二唑、噻二唑并喹喔啉、喹喔啉、噻吩并噻二唑、噻吩并吡嗪、吡嗪并喹喔啉、苯并双噻二唑或者噻二唑并噻吩并吡嗪。
本发明的另一个实施例涉及一种形成获取光的人工草皮单元的方法，包括在一个或多个太阳能片和互联片之间的一对导电界面上将多个太阳能片组装到互联条上。所述太阳能草皮单元可具有提供电绝缘和环境稳定性的保护层。
本发明还提供一种获取光的人工草皮装置，其通过组装一个或多个获取光的人工草皮单元而形成以在受到日光照射时获得期望的电信号，以及一种采用获取光的人工草皮装置收集太阳能的方法。
附图说明
图1示出了一种根据本发明实施例制造太阳能片的示例性方法；
图2描述了根据本发明实施例各种示例性聚合物的获取光谱；
图3示出了根据本发明实施例的用于形成太阳能片的两个示例性DA-CPs的图片再现和化学结构；以及
图4示意性示出了根据本发明实施例的组装的获取光的人工草皮单元。
具体实施方式
参考本发明的实施例，在附图中描述了其实施例。在任何可能的地方，在整个附图中相同的附图标记将用于指代相同或者等价的部件。在下面的描述中，参考形成本发明的部分的附图，其中通过描述实践本发明的具体特别示例性实施例示出。
示例性实施例提供了在这里被称为“太阳能草皮”的获取光的人工草皮。太阳能草皮包括一个或多个在这里被称作“太阳能片”并且用作太阳能电池的获取光的人工片，以及制造太阳能草皮的方法和材料。所述技术的优点在于从能够显示期望的绿色、替换颜色或者多种颜色的太阳能草皮产生电信号可提供现有人工草皮不可能获得的经济好处。尽管术语太阳能草皮和太阳能片意味着获取光的人工草坪，并且示例性实施例涉及一种获取光的草坪，但是本发明的实施例不受这样的限制。太阳能草皮单元可以为植物、菌类、岩石、砂甚至动物的任何部分的形状，从而获取日光的装置可以为自然或者甚至以其中装置被划分为多个单元的方式构造的非自然景观的一部分，并且多个表面容易构造并优化表面面积并允许从多个角度和方向获取日光。因此，太阳能草皮可形成太阳能电池的新形式因素，并代表景观和太阳能电池行业的新颖选择。
特别地，每个太阳能片都包括工作电极、反电极、和夹在工作电极和反电极上的光敏区域之间的光敏材料。太阳能片可将所吸收的光(例如日光)转换为电并且可显示某种期望的颜色。此外，可形成太阳能草皮单元，其包括一个或多个被互联条电组装和连接的太阳能片。另外，可通过组合并联和/或串联连接以在受到光的照射时获得期望的电输出例如期望的电压和/或电流而将太阳能草皮装置构造为具有一个或多个太阳能草皮单元。
在各种实施例中，可以以包括但不限于草、植物、树和灌木或者任何期望的形式/形状的各种形式配置太阳能片。光敏材料可具有不同的颜色例如蓝色、红色、绿色和黑色。为解释方便起见，将参考绿色草坪或者替换装饰或者其它颜色或者颜色组合的景观形式的太阳能片描述本发明的若干实施例。
图1D描述了根据一个实施例的太阳能片100的示例性制造。太阳能片100可包括工作电极110、反电极120、和例如包括至少一个DA-CP 130的光敏材料。如图1所示，工作电极包括导电表面112并且可包括基底114。如所示，反电极也可包括导电表面122和基底124。工作电极110和反电极120在光敏材料130接触导电表面112和122的光敏区域导电。可按照下面的步骤制造太阳能片100：在基底114上形成具有导电表面112的工作电极110(图1A)；在光敏区域的工作电极上形成光敏材料130(图1B)；在基底124上形成具有导电表面122的反电极120(图1C)；以及对反电极层叠工作电极以完成太阳能片100(图1D)。图1不是为了推断太阳能片部件的相对尺寸和形状也没有必要按比例绘制。所述两个电极110和120可独立并且在本发明的一些实施例中不需要基底。在本发明的另一个实施例中可形成太阳能片，其中工作电极或者反电极可以为在其上均匀沉积例如包括DA-CP的接触光敏材料的导电芯。在光敏材料上沉积用作互补反电极或者工作电极的接触导体。以这种方式形成的太阳能片如果需要将具备制备的导电芯的一般形状。如果需要太阳能片可有效地为纤维。在本发明的一些实施例中，可在光敏材料附近组装电极之后涂覆太阳能片。所述涂层可用作潮气、氧气和/或光的阻挡。涂层或者其它阻挡可用于抗反射性或者促进期望波长的多次内反射以提高太阳能片的效率。
电极中的基底可以为相同的材料。基底可优选地透明并且可由例如塑料形成，如聚酯(例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚萘二甲酸乙二酯(PEN))、聚苯硫(PSS)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚砜、聚醚砜或者任何其它透明材料。基底可以形成为任何可有利于随后组装太阳能片为互联条以形成太阳能草皮的期望形状。在本发明的一些实施例中，太阳能片具有足够的柔性和持久性以支撑由太阳能片构造的太阳能草皮装置上的草坪所常见的交通。在图1D所示出的本发明的一个实施例中，每个太阳能片可具有一个或者两个具有延伸至光敏区域的杆的电极，从而可通过太阳能片的杆部分对每个电极独立进行至外部电路的电连接。本领域技术人员容易想象到电连接太阳能片电极的其它方式。杆和光敏区域每个都可以为各种横截面形状，例如矩形、多边形、椭圆或者圆形并且可以为不同的厚度。在本发明的一些实施例中，基底的厚度例如可以为大约10微米至200微米，例如大约15微米至100微米。单根杆或者多根杆可有助于太阳能草皮单元中太阳能片的机械连接，并且其形状可以以保证可将多个太阳能片连至太阳能草皮单元的电连接的方式与互联条上的部位形状匹配。
每个电极的导电表面可以为沉积在基底上的电极层。工作电极和反电极的电极层可用于分别用作例如阳极和阴极。可采用任何包括但不限于导电性很强的导电金属氧化物例如ITO(铟锡氧化物)、导电聚合物例如PEDOT/PSS(即聚(3，4-亚乙基二氧基噻吩)/聚(苯乙烯磺酸酯))的透明和导电材料和/或任何其它导电且光透明的材料形成电极层。可采用合适技术对电极例如印刷、沉积和/或涂覆电极层以覆盖杆的表面和电极的有效区域。
光敏材料可形成或者沉积在光敏区域，使得导电杆表面暴露(例如对于随后的和太阳能草皮单元互联条的电接触)。可采用例如印刷、涂覆或者任何本领域技术人员已知的沉积过程形成或者沉积光敏材料。光敏材料可包括一个或多个光敏材料层。组合在每个太阳能片中的光敏材料可吸收日光并进一步将所吸收的日光转换为电。在本发明的实施例中，光敏材料可包括至少一个具有多个重复单元的DA-CP，所述重复单元包括多个耦合至受体基的给体基。DA-CP可溶解于一种或多种溶剂，例如二氯甲烷、氯仿、四氯乙烷、四氢呋喃、二氧杂环己烷、苯、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯(代)苯、吡啶、乙酸乙酯、丁醇、乙醇、甲醇、乙腈、丙酮、异丙醇、水和其混合物。DA-CP可具有多个基于取代二氧杂环的给体基，而受体基可为电子缺乏的芳族。
合适的给体受体聚合物实例可包括具有下面的化学式I的结构重复单元的聚合物：
其中R1和R2都可从烷基例如C1至C10烷基独立选择。在一个实施例中，可从甲基、己基或者其它合适基团选择R1和R2。
另一个合适的给体受体聚合物实例可包括具有下面的化学式II的结构重复单元的聚合物：
其中R3和R4可从芳基例如苯基、苯甲基、甲苯基或者其它合适基团独立选择。在一个实施例中，DA-CP聚合物可以为化学式II重复单元的均聚物。一个这样的示例均聚(合)物可以为聚[2，5双(2亚乙基二氧基噻吩基)二苯基吡啶并吡嗪]。
在各种实施例中，在请求享有2007年10月30日提交的序列号为61/000,908的美国临时申请的权益的2008年10月29日提交的共同未决的Beaujuge等人的国际申请PCT/US2008/081599“Green to TransmissiveSoluble Electrochromic Polymers”中公开了另外的可用作太阳能片100的光敏材料的示例性共轭聚合物，所述两篇文献整体内容都在此引用作为参考。在各种实施例中，在请求享有2008年3月19日提交的序列号为61/070,102的美国临时申请的权益的2008年10月29日提交的共同未决的Beaujuge等人的国际申请PCT/US2008/081606“Black Soluble ConjugatedPolymers With Highly Transmissive Oxidized State”中公开了另外的可用作太阳能片100的光敏材料的示例性共轭聚合物。
光敏材料可以为具有多种变化的绿色。在各种实施例中，所公开的光敏材料可包括可获得的具有一系列由CIE Lab颜色体系定义的颜色的中性绿色，所述颜色体系具有从大约15到大值(例如60)的负“a”值；以及同时从大约-30至大约+30的“b”值，但是处于所述范围之外的绿色也可获得并可用于光敏材料。在一些实施例中，光敏材料可包括可选染料组分。
但是，可以理解，其它彩色(例如黄色、红色、蓝色、黑色等)光敏材料可用于所公开的太阳能片，因而可形成其它颜色的太阳能草皮或者彩色太阳能草皮。图2描绘了示出以一组具有根据本发明实施例的各种颜色的光敏DA-CP的光吸收谱在空间上(参见曲线214)和地上(参见曲线216)的日光的光通量的示例性结果，所述光敏DA-CP例如为，PBEDOT-PyrPyr(聚{5，8-双(3，4-亚乙基二氧基-2-噻吩基)-2，3-二苯基吡啶并[3，4-b]吡嗪})根据曲线220吸收，PBEDOT-CNV聚(1，2-(2-亚乙基二氧基噻吩基)氰基亚乙烯基)根据曲线222吸收，而MEH-PPV(聚[2-甲氧基-5-(2′-乙基己氧基)-1，4-亚苯基亚乙烯基])根据曲线228吸收。在各种实施例中，通过选择合适的聚合物或者聚合物组合，可吸收日光的整个可见光谱输出的能量。例如，为获得绿色聚合物，有必要具有同时吸收电磁光谱的红色部分和蓝色部分的材料。
DA复合材料可吸收具有各种不同色调的日光。例如，PBEDOT-PyrPyr为和示出420nm和750nm峰值的图2中吸收曲线220所表示的不同的绿色，其中透过窗介于500-550nm(绿光)。但是，称为绿色的颜色具有不同的绿色变体，例如所述不同为DA-CP化学结构的略微改变。例如，在图3中，PBEDOT-QTD可具有与PBEDOT-PyrPyr绿色类似的化学重复单元，其中所述结构与两种绿色材料的图片相近。如所示出，在仔细观察所述两张图片时注意到重要的细微差别，即虽然两种聚合物都称为绿色，但是其具有不同的色调。特别地，图3左边的聚合物PBEDOT-QTD具有包括蓝色成分的绿色，而图3右边的聚合物PBEDOT-PyrPyr具有黄色成分。此外，存在颜色饱和度差异，其中右边的聚合物PBEDOT-PyrPyr比左边的PBEDOT-QTD稍褐。
在各种实施例中，光敏材料可包括无机材料和/或小活性分子。合适的无机材料的实例可包括呈现例如量子点、纳米棒、四脚体或者任何其它形状形式的半导体纳米晶体。所述无机半导体材料可包括但不限于IV族半导体，例如Si或者Ge，II-VI半导体，例如ZnSe或者CdSe，或者III-V半导体例如InP或者GaAs。无机半导体材料还可包括半导体合金例如SixGe1-x，ZnxCd1-xSe，或者InAs1-yPy(其中0＜x，y＜1)。无机半导体材料还可包括金属氧化物例如ZnO或者TiOx。
小活性分子的合适实例可包括小给体分子例如无金属或者含金属的酞菁、膦、或者并苯。小活性分子的合适实例还可包括小受体分子例如富勒烯、苝、萘或其衍生物。
可以以光敏材料可设置在电极光敏区域之间的方式层叠工作电极和反电极。例如，图1C中所示出的反电极可颠倒过来而导电表面层叠在图1B所示出的结构顶部。同时，第一杆和第二杆可形成一对其导电表面以相反方向相对的层叠杆。
图1中所示出的两个电极均可光学透明从而光可从单个太阳能片的任意方向入射在太阳能片上。夹在电极之间的光敏材料因此可从各个方向获取光然后将所获取的光转换为电。例如，环境条件(例如风)可改变太阳能片的方向，所述方向也可随着太阳能片的不同而不同。具有全透明结构的太阳能草皮片(参见图1D)可使得从各个方向吸收光。
但是在各种实施例中，两个电极不必都光学透明。例如，太阳能片100可包括不透明基底或者图1A和图1C所示出的电极其中一个为部分不透明的基底且另一个电极为透明基底。图1D中所示出的最后太阳能片100因此可包括至少一个透明电极。这样的示例性太阳能片100可用于各种应用中，例如叶子位置和方向通常固定的大型有叶“太阳能植物”。然后入射光可从某方向主要固定至太阳能片100的至少一个透明侧面上。换言之，包括透明电极以及不透明电极的太阳能片可相对于入射光定位从而光敏材料可通过至少一个透明电极吸收入射光。
在各种实施例中，不透明电极可包括在不透明基底上形成的导电表面(例如不透明或者透明)。特别地，不透明或者透明电极例如可包括不透明导电表面例如金属层(例如铝)或者透明导电表面例如ITO。不透明基底例如可包括金属箔。由于金属的低得多的水和氧气渗透率同时具有更大的环境稳定性，以金属箔为基底比塑料基底更优。在太阳能片由电极芯构成时，所述电极芯上覆盖有光敏材料，并且所述光敏材料上覆盖有补偿透明电极，芯电极例如可以为反射性材料例如金属。
在各个实施例中，如果需要，可在导电和不透明基底之间形成例如聚合物层的中间层以提供电绝缘和平滑表面。聚合物层可包括例如聚酰亚胺层。在示例性实施例中，导电表面可沉积在被沉积在不透明基底一侧上的聚合物层上。不透明基底另一侧可涂上例如绿色或者任何其它期望的颜色。
图4示意性示出了根据本发明的组装太阳能草皮单元400。如所示出，太阳能草皮单元400可包括图1D中所示的结构的由互联条组装和连接的多个太阳能片。互联条410可由例如如PET的塑料形成。在一个示例性实施例中，所述互联条可垂直设置在其间提供接口的底层(未示出)上。互联条还可包括一对导电的垂直表面420和430并且可由接口电绝缘。可通过涂覆导电材料(例如如铝的金属)形成所述对导电表面以保证和太阳能草皮片之间的电连接。在各个实施例中，互联条可以与底层之间不同的角度配置在底层(未示出)上。
如图4所示，多个太阳能片100可组合并以下面的方式和互联条410连接，即光敏区130定位在互联条410上方，且多个太阳能片100的工作电极110的第一杆与互联条410的第一导电表面420接触，而多个太阳能片100的反电极120的第二杆与互联条的第二导电表面430接触。工作电极110的第一杆可通过与互联条410的第一导电表面420连接的导线440用作阳极或者阴极，而反电极120的第二杆可通过与互联条410的第二导电表面430连接的第二导线450用作互补阴极或者阳极。
在各个实施例中，太阳能草皮单元400还可包括施加至所有暴露表面的保护性涂层以为整个装置提供电绝缘和环境稳定性。这样的太阳能片的组件此后可用作太阳能草皮装置的基本构件。例如，图4中所示出的多个线性组件(即太阳能草皮单元400)可串联或者并联连接以获得期望的电信号例如期望的电压和/或电流。太阳能草皮装置可以放置在例如场地中并暴露于光。然后可在光照之后收集期望的电压和/或电流信号并将其用作电源或者信号源。
这里所参考或者提到的所有专利、专利申请、临时申请和出版物的包括所有附图和表格的整体内容以与所述说明书清楚的教导无不一致的程度在此引用作为参考。
应当理解这里所描述的实例和实施例仅仅为描述目的，并且本领域技术人员将想到其光线的各种更改或者改变，并且这些更改和变化都包括在所述申请的精神和范围中。
Claims (26)
1.一种太阳能草皮单元，包括：
多个太阳能片，每个片包括设置在其间的光敏材料并与工作电极和反电极电接触，其中所述电极中的至少一个透明，并且所述多个太阳能片具有呈现相同或者不同的颜色的相同或者不同的光敏材料；以及
互联条，其具有被绝缘体隔开的第一导电表面和第二导电表面，其中所述工作电极电连接至所述第一导电表面，而所述反电极电连接至所述第二导电表面。
2.根据权利要求1的太阳能草皮单元，其中所述工作电极包括基底上的导电表面。
3.根据权利要求1的太阳能草皮单元，其中所述反电极包括基底上的导电表面。
4.根据权利要求1的太阳能草皮单元，还包括阻挡层，以电气和化学隔离所述太阳能片和/或所述互联条。
5.根据权利要求1的太阳能草皮单元，其中所述光敏材料包括给受体共轭聚合物(DA-CP)。
6.根据权利要求5的太阳能草皮单元，其中所述多个太阳能片的所述DA-CP当处于中性状态时独立地具有绿色、黑色、红色、橙色、黄色、蓝色或者紫色色调。
7.根据权利要求5的太阳能草皮单元，其中所述DA-CP当处于中性状态时具有绿色色调。
8.根据权利要求5的太阳能草皮单元，其中所述DA-CP包括基于取代二氧杂环的给体重复单元。
9.根据权利要求8的太阳能草皮单元，其中所述二氧杂环为二氧基噻吩。
10.根据权利要求5的太阳能草皮单元，其中所述DA-CP包括具有电子缺乏的芳族单元的受体重复单元。
11.根据权利要求10的太阳能草皮单元，其中所述电子缺乏的芳族单元包括取代或者未取代的苯并噻二唑、噻二唑并喹喔啉、喹喔啉、噻吩并噻二唑、噻吩并吡嗪、吡嗪并喹喔啉、苯并双噻二唑或者噻二唑并噻吩并吡嗪。
12.根据权利要求10的太阳能草皮单元，其中所述电子缺乏的芳族单元为2，1，3-苯并噻二唑(BTD)。
13.根据权利要求5的太阳能草皮单元，其中所述DA-CP包括被多个给体重复单元隔开的隔离受体重复单元。
14.根据权利要求1的太阳能草皮单元，其中所述光敏材料包括无机半导体材料。
15.根据权利要求14的太阳能草皮单元，其中所述无机半导体材料包括Si、Ge、ZnSe、CdSe、InP、GaAs、II-VI半导体、或者III-V半导体。
16.根据权利要求14的太阳能草皮单元，其中所述无机半导体材料还包括金属氧化物。
17.根据权利要求14的太阳能草皮单元，其中所述光敏材料还包括半导体合金。
18.根据权利要求17的太阳能草皮单元，其中所述半导体合金包括SixGe1-x、ZnxCd1-xSe、或者InAs1-yPy(其中0＜x，y＜1)。
19.根据权利要求1的太阳能草皮单元，其中所述工作电极还包括杆，所述杆具有在所述工作电极接触所述光敏材料的区域从所述工作电极延伸的导电材料，其中所述杆提供与所述第一导电表面之间的电接触。
20.根据权利要求1的太阳能草皮单元，其中所述反电极还包括杆，所述杆具有在所述反电极接触所述光敏材料的区域从所述反电极延伸的导电材料，其中所述杆提供与所述第二导电表面之间的电接触。
21.根据权利要求1的太阳能草皮单元，其中所述太阳能草皮单元的形状和至少一部分植物、菌类、岩石或者动物类似。
22.根据权利要求1的太阳能草皮单元，其中所述太阳能草皮单元的形状和多个草片类似。
23.一种形成太阳能草皮单元的方法，包括如下步骤：
提供多个太阳能片，每个片包括设置在其间的光敏材料并与工作电极和反电极电接触，其中所述电极中的至少一个透明，并且所述多个太阳能片具有呈现相同或者不同的颜色的相同或者不同的光敏材料；
提供互联条，所述互联条具有被电绝缘体隔开的第一导电表面和第二导电表面；以及
将所述太阳能片电连接至所述互联条，其中所述工作电极接触所述第一导电表面，而所述反电极电接触所述第二导电表面。
24.根据权利要求23的方法，还包括在所述组件上涂覆保护层以提供电绝缘和环境稳定性的步骤。
25.根据权利要求23的方法，其中所述光敏材料包括给受体共轭聚合物(DA-CP)。
26.一种收集太阳能的方法，包括：
形成一种在基底上包括至少一个太阳能草皮单元的装置，其中所述太阳能草皮单元吸收一部分可见光谱的光，其中日光被转换为期望的电输出；
将所述装置置于日光照射所述装置的位置；以及
从所述日光照射的装置收集所述电输出。
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