CN102498588A - 经包覆的光电器件以及制造其的方法 - Google Patents

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Abstract

在各实施例中，此处描述了光电器件。光电器件可包括光电电池，被安放为包覆围绕中心轴，其中该电池包括第一导电层、设置在第一导电层上且与第一导电层电通信的半导电层，以及设置在半导电层上且与半导电层电通信的第二导电层。在各实施例中，此处描述了制造光电器件的方法。该方法可包括平铺形成光电电池并使光电电池围绕中心轴包覆。光电器件可以是光伏器件。可选地，光电器件可以是有机发光二极管。

Description

经包覆的光电器件以及制造其的方法
本申请要求系列号为61/187,131、于2009年6月15日申请的、名为“有机光伏像素串联包覆电池”的美国临时专利申请的优先权，该申请通过引用全体并入此处。
关于美国联邦政府资助研究的声明
本发明是部分地用能源部许可DE-FG36-08G088008下的美国政府支持所做出的。美国政府享有本发明的某些权利。
背景
塑料(聚合物)材料已经受到相关的关注用作基于光电的电子元件的新介质至少有二十年了。光伏器件，诸如，例如，太阳能电池，当连接负载并暴露于光线时通过产生光生电流将电磁辐射转换为电力。由于良好的光性质，聚合物及其组合衍生物具有用于诸如光伏器件之类的较高的商业潜能。首先，通过电荷载流子发生，特定衍生物可将几乎所有的谐振光转换为能量。其次，聚合物及其组合衍生物的光吸收可被修改为提供理想的带隙。例如，如今的基于硅的光伏器件呈现有1.1eV的带隙。第三，在用于制造聚合物薄膜的制造技术中也建立了简单并具有成本效益的生产技术。
虽然在约20年前就制造了第一个塑料太阳能电池，基于聚合物的光伏器件的转换效率仍然不能匹配无机薄膜光伏器件的转换效率。目前基于聚合物的光伏器件一般表现出仅略高于5％的转换效率。反之，使用晶体或非晶硅的商用光伏器件，对于结晶硅通常具有高于20％的转换效率，对于非晶硅一般为4％-12％之间。
聚合物基的光伏器件不能以高效率工作有数个理由。第一个理由是较差的电荷载流子传输。尽管聚合物和聚合物合成物可将几乎所有的谐振光转换为电荷载流子(电子、空穴或激子)，载流子传输一般较差。较差的电荷载流子传输至少是由于以下两个原因：1)激子在被重新组合之前只能行进很短的距离(一般约50nm)；且2)聚合物基的光伏材料一般表现出较差的载流子迁移率和导电率。作为较差电荷载流子传输的结果，聚合物基的光伏器件一般由非常薄的(一般小于约250nm)半导电聚合物膜制造而得。作为具有非常薄的半导电聚合物膜的进一步结果，由于透明度，损失了入射到器件上的大量光。聚合物基光伏器件的另一个实质性缺陷是聚合物基的光伏材料经受氧化降解的倾向。相应地，当与聚合物基光伏材料工作时，经常需要严苛地控制的组装条件和积极的器件保护。最后，尽管可通过聚合物或聚合物合成物的化学改性来调节聚合物基的光伏器件的吸收范围，任何给定有机材料的吸收范围仅被固定地限制在电磁波谱的特定区域。相应地，仅电磁波谱的一部分能与含有给定光伏材料的光伏器件相互作用。
由于相比无机光伏材料，与聚合物基光伏材料相关联的是完全不同的事项，从上文中明显看出，用于与聚合物基光伏器件工作的新方法和体系结构在本领域将是具有重大益处的。
概述
在各实施例中，此处描述了光电器件。光电器件包括光电电池，被设置为包覆围绕中心轴，其中该光电电池包括第一导电层、设置在第一导电层上且与第一导电层电通信的半导电层，以及设置在半导电层上且与半导电层电通信的第二导电层。
在各实施例中，第一导电层和第二导电层中的至少一个被取向为相对另一个径向地在外。
在各实施例中，导电层中的一个或多个被图案化以含有多个电极。结合了多个电极的光电器件此处被称为像素体系结构。在这样的体系结构中，图案化的导电层可以是不连续的。
在各实施例中，半导电层吸收电磁辐射并将该电磁辐射转变为电信号。半导电层可由至少一种半导电材料组成。该半导电材料可以是有机半导电材料。有机半导电材料科包括聚合物。有机半导电材料可进一步包括填充物，这样该半导电材料是聚合物基的复合材料。可调整复合半导电材料的组分来控制所吸收的电磁辐射的波长。
在各实施例中，半导电层可包括至少两个半导电材料，它们基本上没有被混合且位于沿光电器件的纵轴的独立区域中。独立区域可以是邻接的，这样聚合物层是连续的。可选地，独立区域可以被移动为聚合物层是不连续的。半导电材料可从各种复合材料中选择，复合材料每一个包括同样的基底材料和同样的添加物，以各种浓度被混合，这样半导电层的每一个独立区域包含在电磁波谱的不同波长区域吸收的材料。包含不混合的半导电材料的独立区域的光电器件体系结构此处被称为串联体系结构(tandem architecture)。
在各实施例中，光电器件进一步包括中央支承。该支承可以是实心的。可选地，该支承可以是管状的。当该支承是管状时，其可用作波导。进一步，当该支承是管状时，其可在开口端接收光。
在各实施例中，上述特征可单个地出现或组合地出现。因此，例如，在各实施例中，有机光电器件具有像素串联包覆电池体系结构。
在各实施例中，描述了含有多个光电器件的光伏收集器。多个光伏器件与输出电路电接触。
在其他各实施例中，公开了用于制备光电器件的方法。该方法包括平铺形成光电电池并使光电电池围绕中心轴包覆。在操作中，光电电池可沿中心轴接收、或发射光。
在各实施例中，形成光电电池包括在衬底上沉积第一导电层、在该第一导电层上沉积半导电层、且在该半导电层上沉积第二导电层。
在各实施例中，沉积半导电层包括提供多个半导电材料，该多个半导电材料的吸收波谱各异，并将该多个半导电材料以串联设置而排放。该排放可包括用该半导电材料的轴向变化来取向该串联设置。
在各实施例中，围绕中心轴包覆光电电池包括将该电池绕该轴延伸少于一整个圈。可选地，在各实施例中，包括该光电电池包括将该光伏器件围绕该轴延伸一整个圈。仍可选地，在各实施例中，包覆该光电电池包括将该光电电池围绕管状支承圆周地延伸多于一整个圈，这样螺旋地围着该电池。
在各实施例中，围绕中心轴包覆该电池可包括围绕中央支承包覆该光电电池。围绕中央支承包覆该光电电池可包括提供将光伏电池圆周地围绕中央支承区域延伸的中央支承。
在各实施例中，包覆包括以第一导电层位于第二导电层内而取向该光电电池。可选地，包覆可包括以第二导电层在内而取向该光电电池。
在各实施例中，形成平板电池可进一步包括用密封剂封装电池的至少一部分。密封剂可以是粘土/聚合物合成物。用密封剂封装电池的至少一部分可包括用密封剂涂覆顶部导电层。可选地，用密封剂封装电池的至少一部分可包括将电池浸在密封剂溶液中并干燥该密封剂。
在各实施例中，在形成光电电池包括在衬底上沉积第一导电层并用密封剂涂覆第二电极时，包覆可包括以衬底在密封剂内来取向光电电池，这样第一电极、半导电层和第二电极的分层是向外取向的。可选地，包覆可包括以密封剂在衬底内来取向光电电池，这样第一电极、半导电层和第二电极的分层是向内取向的。
在各实施例中，形成光电电池可进一步包括图案化第一导电层以形成多个第一电极。可选地、或组合地，形成光电电池可进一步包括图案化第二导电层以形成多个第二电极。
在上述任意实施例中，光电器件可以是光伏器件。可选地，光电器件可以是有机发光二极管。
上述仅是宽泛地概括了本发明的各特征，以使接下来的详细描述可更好地被理解。将在下文中描述本发明的附加特征和优势，其形成权利要求的主题。
附图简述
为更透彻理解本发明及其优点，现参考连同描述本发明特定实施例的附图进行的以下描述，其中：
图1示出衬底上的铟锡氧化物(ITO)的蚀刻图案的示意图；
图2A示出涂覆ITO的玻璃衬底的照片；
图2B示出经掩模的ITO的玻璃衬底的照片；
图2C示出蚀刻的ITO玻璃衬底的照片；
图2D示出具有5.19Ω/□薄层电阻的Au膜的光穿透性。内插图：具有半透明Au电极的载玻片的图片；
图2E示出在100mW/cm2强度照明下Au阳极OSC的电流强度-电压(J-V)特性；
图3A示出准备用于旋涂的处于各浓度的光敏材料的溶液的照片；
图3B示出以串联阵列被沉积的半导体阵列的示图；
图4A示出在沉积铝第二导电层之后在包覆之前的平板像素串联电池的样本；
图4B示出使用有机半导体作为有源材料的光电器件的不同配置；
图5示出原型探针头的照片；
图6A示出与原型平板像素阵列器件相接触的探针头；
图6B是组合了多个探针头的器件；
图7示出集成在数字万用表中的倍增器的电子连接示图；
图8A示出连接至带有集成的倍增器模块的数字万用表的探针测试器件；
图8B示出倍增器用电线连接；
图9示出氧气通过充满粘土的聚合物扩散的弯曲路径的示意图；
图9B示出蒙脱石粘土的结构的示意图；
图10A示出使用衬底向内取向的中央支承来包覆像素串联电池的配置；
图10B示出使用密封剂向内取向的中央支承来包覆像素串联电池的配置；
图10C示出可如何配置包覆；
图11示出围绕塑料杆包覆的原型单个有源层像素串联包覆电池的照片；
图12A示出包覆之前的像素串联包覆电池的剖面视图；
图12B示出包覆之前的像素串联包覆电池的透视图；
图12C示出在多接触和包覆之前具有不同层类型的典型简单的微型电池；
图12D示出在多接触和包覆之前具有不同层类型的典型复杂的微型电池；
图12E示出图12A中示出的一个针孔缺陷的特写；
图13示出像素串联包覆电池的简化的等效电路图；
图14示出薄的串联单个太阳能电池的模拟电流-电压曲线；
图15示出连接在一起的两个器件的模拟电流-电压曲线；
图16示出在包覆之前的串联电池的形貌；图17示出简单的有机发光二极管(OLED)的体系结构；
图18示出使用交叉布局的电极形貌的示意图；
图19示出使用线性像素阵列布局的电极形貌的示意图；
图20示出使用多个线性像素阵列布局的电极形貌的示意图；
图21示出线性像素阵列布局的示意示例；
图22示出具有附加数量像素的多个线性像素阵列的电流-电压特性；以及
图23示出不同阵列面积的线性像素阵列的PCE的变化。
详细描述
在接下来的描述中，设定诸如特定量、浓度、尺寸等的特定细节来提供对于此处公开的各实施例的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员而言明显的是，本公开无需这些具体细节也可实践。在很多情况下，涉及这样的考虑等的细节可被省略，因为这些细节对于获得本发明的完整理解并不是必要的，且落在相关领域普通技术人员的认知范围内。
一般地，涉及这些附图，可理解的是这些说明是为了描述本发明的具体实施例的目的，而并不意在限制在其内。进一步，这些附图不需要按比例绘制。
尽管此处使用的多数术语对于本领域内普通技术人员而言是可识别的，应该理解的是当没有显式地定义时，术语应当被解释为采用本领域内普通技术人员目前所接受的意义。
在各实施例中，本发明涉及全有机、像素串联包覆电池的设计、体系结构和制造。这些新的设计和制造方法允许使用改进的平板沉积技术来更容易地制造串联阵列电池。成果是对于每一层沉积的更好的控制；因此形成彼此相邻并独立地连接至彼此的微型电池阵列来制成大规模的太阳能电池。阵列尺寸是x乘y(对于约1μm＞x＞约10cm且约1μm＞y＞约10cm)，且最大化沉积控制来防止短路。然后可包覆这些阵列，这形成了将光导通通过形式为管状结构的所有不同层的方法，能使多个有机层被在允许所产生的激子将电荷传递给电极(由具有在约40nm到约250nm之间的尺寸的有机层组成，这取决于有机层的迁移率和导电率)的厚度下以线性方式被使用，然后这形成具有器件特定尺寸的多层来构成有机光伏像素串联包覆电池。包覆的尺寸可具有直径约100μm、或者可宽至约3m，这取决于连续器件制造过程管理得多好，包覆的厚度一般在约1μm至约1cm之间。可将全有机像素串联包覆电池用于光伏器件。可选地，可将全有机像素串联包覆电池用于发光二极管。
在光电器件的各实施例中，光电器件吸收电磁辐射，包括，例如，红外辐射、可见光辐射、紫外辐射，及其组合。在光电器件的各实施例中，光电器件发射电磁辐射，包括，例如，红外辐射、可见光辐射、紫外辐射，及其组合。
在光电器件的各实施例中，半导电层的带隙从约1.1eV到约2.0eV。这样的带隙可与使用硅的目前的太阳能电池器件所呈现的相比较。
在此处描述的光电器件和用于制造其的方法的各实施例中，所述支承可包括诸如例如玻璃、石英、聚合物(如，塑料光纤)和金属之类的材料。适于制造塑料光纤的聚合物包括，例如，聚甲基丙烯酸甲酯和含有过氟化环丁烷的聚合物。
在此处描述的光电器件和用于制造其的方法的各实施例中，光电器件的层可进一步包括至少一个向上变换器(upconverter)。如此处所使用的，向上变换器是可用来发射电磁辐射大于由该向上变换器吸收的电磁辐射的材料。例如，本发明的向上变换器可吸收红外辐射和可见光或紫外辐射。在各实施例中，本发明的向上变换器可包括至少一个镧系元素，诸如，例如，铒、镱、镝、钬及其组合。在其他各实施例中，公开了是化合物的向上变换器。这样的向上变换的有机化合物包括，例如，1，8-萘二甲酰亚氨基衍生物、4-(二甲氨基)肉桂腈(顺式和反式)、反式-4-[4-(二甲氨基)苯乙烯基]-1-甲基吡啶碘化物、4-[4-(二甲氨基)苯乙烯基)嘧啶、A-(二甲氨基)苯甲醛二苯腙、反式-4-[4-(二甲氨基)苯乙烯基]-1-甲基吡啶p-甲苯磺酸、2-[乙荃[4-(硝基苯基)乙烯]苯基苯胺]乙醇、A-二甲氨基-4′-硝基二苯乙烯、分散橙25、分散橙3以及分散红1。在还有其他各实施例中，公开了是量子点的向上变换器。量子点包括诸如例如硒化镉、碲化镉、硒化锌、硫化铅、硫化镉、硒化铅、碲化镉、碲纳米晶体和硒球之类的半导体材料。
在此处描述的光电器件和用于制造其的方法的各实施例的任一个中，第一导电层包括诸如例如铟锡氧化物(ITO)、镓锡氧化物、锌铟锡氧化物及其组合之类的导电氧化物。在各实施例中，第一电极层是ITO。在其他各实施例中，第一导电层包括诸如，例如，聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚对嘧啶、聚二苯并茂、聚3-烷基噻吩、聚四硫富瓦烯、聚萘、聚对苯硫化物、聚对亚苯基次亚乙烯、以及聚对吡啶基次亚乙烯之类的导电聚合物。在各实施例中，第一导电层包括聚苯胺。在各实施例中，第一导电层包括聚(3，4-亚乙基二氧基噻吩)(PEDOT)。在各实施例中，可将可选的电荷载流子或掺杂物(n-或p-型)添加到导电聚合物中增加其导电率。
在还有其他各实施例中，第一导电层可包括导电复合材料。例如，导电复合材料可包括处于聚合物相的碳纳米管、富勒烯及其组合来使复合材料导电。在一些实施例中，复合材料的聚合物相是不导电的，而在其他实施例中，聚合物相在含有碳纳米管或富勒烯之前是导电的。在还有附加各实施例中，第一导电层可以是金属或金属合金。根据一些实施例，第一导电层可包括金和银的一个或多个。
在一些实施例中，第一导电层可具有从约10nm到约1μm的厚度，在其他实施例中有约100nm到约900nm的厚度，在还有其他实施例中有约200nm到约800nm的厚度。
在此处描述的光电器件和用于制造其的方法的各实施例中，半导电层由至少两种聚合物基的半导电材料制成。在各实施例中，这至少两种半导电材料每一个包括聚合物和填充物材料。在一些实施例中，聚合物是p-型材料且填充物是n-型材料。本领域普通技术人员可了解，基于对该至少两个半导电材料的吸收曲线的了解，可将光电器件的吸收曲线调谐为电磁波谱的各部分。在各实施例中，可使用填充物材料来调谐光电器件的吸收性质。进一步，填充物材料还可影响光电器件中的电子传输性质。
在各实施例中，该至少两个聚合物基的半导电材料可以是例如，聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚对嘧啶、聚二苯并茂、聚3-烷基噻吩、聚四硫富瓦烯、聚萘、聚对苯硫化物、聚对亚苯基次亚乙烯、聚对吡啶基次亚乙烯、及其组合。在一些实施例中，聚合物可以是，例如，聚(3-己基噻吩)(P3HT)、聚(3-辛基噻吩)(P3OT)、聚[2-甲氧基-5-(2′-乙基己氧基-对-苯乙炔)](MEH-PPV)、聚[2-甲氧基-5-(3，7-二甲基辛氧基)-对-苯乙炔]、聚[2-(3-噻吩基)-乙氧基-4-丁基磺酸]钠(PTEBS)及其组合。在一些实施例中，聚合物可以是诸如例如聚[(间苯乙炔)-共-(2，5-二辛氧基-对苯乙炔)](PmPV)之类的共聚物。由于PmPV的性质，PmPV对于形成良好发散的碳纳米管聚合物复合物是特别有利的。
在此处描述的光电器件和用于制造其的方法的各实施例的任一个中，聚合物基的半导电材料的填充物材料可包括，例如，碳纳米管、富勒烯、量子点、及其组合。在各实施例中，填充物材料是碳纳米管。下文中将进行碳纳米管的进一步描述。在各实施例中，填充物材料是富勒烯材料。说明性的富勒烯材料包括，例如，C60、C70以及更高的富勒烯C76、C78、C82和C84。衍生的富勒烯诸如，例如，1-(3-甲酯基)丙烷基-1-苯基(6，6)-C61(PCBM-C60)以及1-(3-甲酯基)丙烷基-1-苯基(6，6)-C71(PCBM-C70)，可被用作本发明各实施例中的填充物材料。在本发明的一些实施例中，由于C70的相对于C60的较好的光电导性质，还有其较小的带隙和较低的发荧光倾向，PCBM-C70是特别有利的。在各实施例中，填充物材料是量子点材料。用于填充物材料的说明性量子点化合物包括，例如，硫化铅、碲化镉、硫化镉、硒化铅、硒化镉、碲纳米棒和硒球。
在各实施例中，该至少两个半导电材料都是纳米化合物。在一些实施例中，第一半导电材料是P3HT:PCBM C70纳米化合物，第二半导电材料是掺杂碳纳米管的PmPV的纳米化合物。
在此处描述的各实施例的任一个中，可用任何已知技术来形成碳纳米管，且可以任何形式得到碳纳米管，诸如例如，灰、粉末、纤维、平向纸张、及其混合物。由于从各种任何生产方法来产生，碳纳米管可以是任何长度、直径或手性的。在一些实施例中，碳纳米管具有范围在约0.1nm到约100nm之间的直径。在一些实施例中，碳纳米管具有范围在约100nm到约1μm之间的长度。在一些实施例中，碳纳米管的手性是，碳纳米管是金属的、半金属的、半导电的或其组合。碳纳米管可包括，但不限于，单壁碳纳米管(SWNT)、双壁碳纳米管(DWNT)、多壁碳纳米管(MWNT)、缩短的碳纳米管、氧化的碳纳米管、功能化的碳纳米管、纯化的碳纳米管、以及其组合。本领域普通技术人员可理解，可在本发明的精神和范围内使用其他类型的碳纳米管来实现使用碳纳米管具体类型的此处描述的很多实施例。
在此处呈现的各实施例的任一个中，碳纳米管可以是未功能化或功能化的。功能化的碳纳米管，如此处所使用的，是指具有化学改性、物理改性或其组合的任何碳纳米管类型。这样的改性可涉及纳米管端部、侧壁或其两者。碳纳米管的说明性的化学改性包括，例如，共价键和离子键。说明性的物理改性包括，例如，化学吸收、插嵌、表面活性剂交互、聚合物包覆、溶剂化、及其组合。未功能化的碳纳米管一般被独立为聚集体且被称为绳或束，其被通过范德瓦尔斯力结合在一起。碳纳米管聚集体并不易于被分散或增溶。化学改性、物理改性、或其两者可通过瓦解碳纳米管之间的范德瓦尔斯力而提供独立的碳纳米管。作为瓦解范德瓦尔斯力的结果，独立的碳纳米管可被分散或溶解。
在各实施例中，功能化的碳纳米管可被有机染料来功能化，这些有机颜料吸收电磁波谱的红外、可见或紫外区域、或其组合。这样的功能化的碳纳米管有利地提供从不导电染料介质到碳纳米管(其是导电的)的电荷传输。因此，在光电器件中使用染料功能化的碳纳米管可实现增强的电磁辐射吸收和向电的转换。
可将未功能化的碳纳米管用作从各生产方法的任一个中制备出来的，或者它们可需要进一步被纯化。碳纳米管的纯化一般是指，例如，从碳纳米管中移除金属杂质、移除非纳米管的含碳杂质、或以上两者。说明性的碳纳米管纯化方法包括，例如，使用氧化酸的氧化、通过在空气中加热的氧化、过滤和色谱分离。氧化纯化方法移除了形式为二氧化碳的非纳米管含碳杂质。使用氧化酸的碳纳米管的氧化纯化进一步导致氧化的、功能化的碳纳米管的形成，其中碳纳米管结构的闭合的端部被氧化地打开并端接多个羧酸基团。用于执行碳纳米管的氧化纯化的说明性的氧化酸包括，例如，硝酸、硫磺酸、发烟硫酸及其组合。使用氧化酸的氧化纯化方法进一步导致溶液相的金属杂质的移除。取决于执行使用氧化酸的氧化纯化的时间长度，氧化的、功能化的碳纳米管的进一步反应导致碳纳米管的缩短，其仍是在它们打开的端部端接多个羧酸基团。在氧化、功能化的碳纳米管和缩短的碳纳米管中的羧酸基团可被进一步反应而形成其他类型的功能化的碳纳米管。例如，可将羧酸基团与有机染料分子反应。
尽管当光电器件是光伏器件时上述半导电材料是非常合适的，可以理解的是可根据光电器件应用为光伏器件或有机发光二极管而选择含有一个或多个半导电材料的半导电层。合适的发光二极管材料包括，例如，有机金属螯合剂的衍生物，诸如三-(8-羟基喹啉)铝(III)(Alq3)以及三-[2-(p-甲苯基)嘧啶]铱(III)[Ir(mppy)3]，和聚(亚苯基亚乙烯)以及聚芴的衍生物。
在此处描述的光电器件和用于制造其的方法的各实施例的任一个中，第二导电层由金属或金属合金制成。在各实施例中，第二电极从诸如例如，金、银、铜、铝、及其组合之类的材料制成。在各实施例中，第二电极层是铝。在一些实施例中，第二电极可具有从约10nm到约10μm的厚度，在其他实施例中有约100nm到约1μm的厚度，在还有其他实施例中有约200nm到约800nm的厚度。
在此处描述的光电器件和用于制造其的方法的各实施例的任一个中，光伏器件可进一步包括位于半导电层和第二电极之间的LiF层。在一些实施例中，LiF层的厚度为约5埃到约10埃。在一些实施例中，LiF层在厚度上小于约5埃。LiF增强了光电器件中能量转换的效率。在一些实施例中，LiF层被至少部分地氧化来形成混合的LiF和Li2O的层。在一些实施例中，LiF层被完全地氧化为Li2O。
在此处描述的光电器件和用于制造其的方法的各实施例的任一个中，光伏器件可进一步包括位于第一导电层和半导电层之间的激发阻挡层。在各实施例中，激发阻挡层是碳纳米管-聚合物合成物。在一些实施例中，激发阻挡层是半导电的。在各实施例中，激发阻挡层辅助底部导电层和半导电层之间的能带弯曲过程。在各实施例中，激发阻挡层限制了在其上激子可扩散的路径长度。在各实施例中，激发阻挡层可附加地动作以填充底部导电层中的针孔隙或者短路(shorting)缺陷。
在各实施例中，激发阻挡层从聚苯乙烯磺酸盐/碳纳米管聚合物化合物(PPS/纳米管化合物)制成。在PPS/纳米管化合物中，将苯乙烯磺酸盐单体附着在硫代羧酸酯-功能化的碳纳米管上，且，然后将所附的苯乙烯磺酸盐聚合物化而形成PPS/纳米管化合物。在这样的实施例中，碳纳米管是化学结合至聚合物母体(matrix)的。在一些实施例中，PPS/纳米管化合物的碳纳米管是MWNT。在一些实施例中，PPS/纳米管化合物的碳纳米管是SWNT。
在其他各实施例中，激发阻挡层由具有在3，4-聚亚乙基二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐共聚物或聚(偏二氯乙烯)聚合物或共聚物中分散的碳纳米颗粒的化合物材料制成。在各实施例中，碳纳米颗粒是，例如，SWNT、MWNT、富勒烯、及其组合。
在此处描述的光电器件和用于制造其的方法的各实施例的任一个中，光伏器件可进一步包括涂覆第二导电层的保护层。此处保护层被称为密封剂。在一些实施例中，保护层是聚合物材料，诸如，例如，聚对二甲苯基(parlene)或环氧树脂。在一些实施例中，保护层是化合物材料，例如，粘土/聚合物化合物。保护层提供光电器件的增加的耐久性并抑制光电器件组件的氧化性降解。
在本发明的其他个实施例中，描述了光伏收集器。光伏收集器包括与输出电路电接触的多个光伏器件。
在光伏收集器的各实施例中，多个光电器件包括至少约1000个光电器件。在光伏收集器的各实施例中，多个光电器件包括至少约10,000个光电器件。在一些实施例中，输出电路包括电池。在一些实施例中，输出电路包括电线。
可用任何已知沉积基础来沉积此处描述的光电器件的各层的任意层。例如，可通过诸如例如溅射、浸涂、旋涂、气相沉积、真空热退火、以及其组合来沉积这些层。
在其他各实施例中，公开了用于制备光电器件的方法。该方法包括以下步骤：平铺形成光电电池，并围绕中心轴包覆光电电池。
在各实施例中，形成光电器件单元包括在衬底上沉积第一导电层、在该第一导电层上沉积至少一个半导电层、且在该半导电层上沉积第二导电层。形成光电器件单元可进一步包括图案化第一导电层以形成多个第一电极。形成电池可进一步包括用密封剂封装电池的至少一部分。密封剂可以是粘土/聚合物合成物。用密封剂沉积电池的至少一部分可包括用密封剂涂覆顶部导电层。可选地，用密封剂封装电池的至少一部分可包括将电池浸在密封剂溶液中并干燥该密封剂。
在各实施例中，绕中心轴包覆该电池包括绕中心轴圆周地延伸该光电电池。在形成光电电池包括在衬底上沉积第一导电层并用密封剂涂覆第二电极时，包覆可包括以衬底在密封剂内来取向光电电池，这样第一电极、半导电层和第二电极的分层取向为自支承向外。可选地，包覆可包括以密封剂在衬底内来取向光电电池，这样第一电极、半导电层和第二电极的分层取向为向内朝着支承。
在各实施例中，包覆光电电池包括将该电池沿中心轴圆周地围绕少于一整个圈。可选地，在各实施例中，包覆该光电器件单元包括将该光电电池圆周地延伸整个圈。仍可选地，在各实施例中，包覆该光电电池包括将该光电器件沿中心轴延伸多于整个圈，从而沿着支承区域螺旋地围着该光电器件。
包括以下示例来展示本发明的具体实施例。本领域技术人员应该理解的是，下文示例中公开的方法仅代表本发明的示例性实施例。然而，根据本发明，本领域技术人员应该理解，在所描述的具体实施例中可作出很多改变且在不背离本发明精神和范围的情况下仍可获得相似或类似的结果。
示例
接下来的示例说明了本发明的构建(也就是有机光伏像素串联包覆电池)的设计、体系结构和制造方法。
示例1.图案化并清洁涂覆铟锡氧化物(ITO)的玻璃。图案化。通过使用透明胶带作为掩模材料的受控的蚀刻来形成分离的微型电极或微型电池区域来图案化涂覆ITO的玻璃。形成电极的被涂覆的衬底的部分被覆盖有透明胶带来避免蚀刻。如图1中所示，蚀刻了带有1.2mm间隙的2.5mm宽的ITO带。图1示出位于衬底上的ITO的蚀刻图案的示意图。灰色区域表示2.5mm宽的ITO带，而白色区域表示1.02mm宽的没有ITO的间隙(并不成比例)。然而，可以理解的是，可将带(电池的有源区域)和它们之间间隙的尺寸调整为适合器件要求。进一步，蚀刻可使线小到1μm。因此，例如，ITO带和间隙可从1μm到1cm之间变化。
涂覆ITO的玻璃的蚀刻步骤可如下执行。将2.5mm宽的透明胶带长带粘在涂覆ITO的载玻片上。将锌粉洒在经掩模的片上来覆盖整个表面。然后将样本浸没在18％的HCl溶液中达约5到10秒钟。在蚀刻之后，马上将样本在水中漂洗。移除透明胶带，使用丙酮清洗样本。最后用氮气干燥样本。图2A-C示出(a)涂覆了ITO的玻璃衬底(图2A)、(b)经掩模的玻璃衬底(图2B)、以及(c)经蚀刻的ITO玻璃衬底(图2C)的照片。
清洁。蚀刻之后，依序使用1.5％Micro90
Figure BPA00001511262600131
清洁剂溶液、水和异丙醇每一个超声浴达15分钟来清洁样本。最后，用氮气干燥样本。
示例2.图案化涂覆ITO的PET薄层。图案化。图案化涂覆ITO的PET薄层的蚀刻步骤类似于蚀刻玻璃衬底的蚀刻步骤，如示例1中描述的那样。如下执行蚀刻。将2.5mm宽的透明胶带长条粘在涂覆ITO的PET薄层上。将锌粉洒在经掩模的片上来覆盖整个表面。然后将样本浸在9％HCl溶液中达约1分钟。在蚀刻之后，马上将样本在水中漂洗。移除透明胶带，使用异丙醇清洗样本。最后用氮气干燥样本。
清洁。在蚀刻之后，依序使用1.5％Micro90
Figure BPA00001511262600141
清洁剂溶液在超声浴中达5分钟、然后在水和异丙醇中每一个超声浴中达10分钟来清洁样本。最后，用氮气吹干样本。
示例3。塑料衬底，带有图案化的金作为第一电极。也可使用半透明导电金电极作为第一电极取代ITO。如下来图案化金电极的塑料薄层。首先将图案印到透明塑料衬底上。尽管使用PET作为透明塑料衬底，将理解的是可使用其他合适的聚合物薄层。当使用用水基油墨的喷墨打印机时，油墨线的厚度可从200μm到2.5mm之间变化，或者使用用聚(3，4-亚乙二氧基噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)溶液的JETLAB 4Micro-printing System时，油墨线的厚度为40到60μm。使用Denton V在15mA达2分钟，将金的半透明导电层(～20nm厚且～10欧姆电阻)溅射在合适尺寸的印好的透明薄层上。可选地，金的半透明导电层(～20nm厚且～5欧姆电阻)是在压力＜10-6mbar时，通过遮蔽掩模热蒸镀到干净的塑料衬底上的镉(Cr，99.998％，Kurt Lesker)和Au(99.999％，KurtLesker)(～20nm)的连续层。沉积之后，在流动的自来水下将油墨冲走。根据所印的图案或遮蔽掩模，留下了金的薄带。然后用异丙醇清洗图案化的金的塑料衬底，并用氮气干燥。
如下来图案化金电极的玻璃衬底。可调节这个步骤来图案化塑料衬底。制造过程的第一步骤是清洁显微镜覆盖玻璃衬底(Fisher)。连续地使用1.75％的micro-90溶液(10分钟)、水(15分钟)和异丙醇(IPA)(15分钟)在超声浴中清洁它们，并使用氮气干燥。在压力＜10-6mbar时，通过遮蔽掩模热蒸镀镉(Cr，99.998％，Kurt Lesker)和Au(99.999％，Kurt Lesker)(～20nm)的连续层到干净的载玻片上。使用单丝(one-filament)系统完成沉积，且在Cr和Au的沉积之间可打破真空。可使用两个分离的钨线篮来防止金属的交叉污染。
覆盖Au的玻璃衬底被浸在IPA中且用氮气吹干来移除任何灰尘颗粒。在旋涂PEDOT:PSS电子阻挡薄层(Clevios PH750，H.C.Starck)之前，用臭氧等离子处理它们达20分钟，通过0.45μm Corning薄膜过滤器来过滤。在氮气气氛中，在炉中以100℃干燥衬底达1小时。在以同样条件再次在炉中干燥它们之前，感光材料薄层被旋涂到衬底上。使用重量比例1到0.68的区域规则性聚(3-己基噻吩):苯基-C61-丁酸甲酯(P3HT:PCBM)(Aldrich)的施主/受主混合剂和浓度为12g/L的无水氯苯溶液来制备光敏材料。在压力＜10-6mbar时，通过遮蔽掩模沉积热蒸发的铝电极。在Al沉积之后，即刻用载玻片和环氧树脂将器件封装在充氮的手套箱中(～10％相对湿度)。图2D示出具有5.19Ω/□薄层电阻的Au膜的光穿透性。内插图：具有半透明Au电极的载玻片的图片。图2E示出在100mW/cm2强度照明下Au阳极OSC的电流强度-电压(J-V)特性。
示例4。UV/臭氧等离子处理。为了改进涂层的粘合，诸如根据示例1-3所制备的清洁的样本，被使用UV/臭氧等离子(Novascan，数字UV/臭氧系统)处理达5-10分钟。
示例5。聚合物层的沉积。本发明的目的之一是沉积有机半导体层并形成二极管结构，且其可以是肖特基器件、异质结、混合复合材料或p-n器件的形式。有机半导体是太阳能电池中的产生激子的光敏材料。可使用喷涂、旋涂、印刷或液滴浇注形式来完成这些层的沉积。下一部分中描述的是基本的单聚合物沉积层。
首先，聚(3，4-亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)(在H2O中分散1.3wt％)层被旋涂在图案化的衬底上。旋转速度在500rpm到3000rpm之间变化，取决于溶液的浓度。在沉积下一层光敏材料之前，允许样本在室温下在氮气中完全地干燥。通过将氯苯中的不同浓度的区域规则性P3HT和PCBM溶解来制备这个特定层的涂覆溶液及其组成物。
使用如图3A中所示的浓度从14g/l到25g/l的不同溶液。图3A示出用于旋涂的、氯苯中的在不同浓度(从16到22g/l)的光敏材料(此处，P3HT)的溶液。管理光敏材料的溶液浓度来制造有源层的最优厚度。最优厚度取决于导电率、迁移率、以及有源层之间的界面交互以及所使用的沉积技术，包括但不限于旋涂、刮刀刮涂、印刷、蒸发或溅射。可使用多种技术来完成半导体阵列的沉积，可应用的技术诸如旋涂、印刷、刮刀刮涂、液滴涂、旋转沉积、蒸发、升华、Langmuir-Blodgett、单体到聚合物生长。随着涂覆溶液浓度的下降，旋转速度从500rpm增加到3000rpm。在经典的半导体术语中，使用诸如聚-3-己基噻吩(P3HT)之类的p-型有机半导体来形成简单的肖特基器件，而添加诸如苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)之类的n-型半导体来形成异质结。不过器件并不限于这些材料(可使用其他p和n型有机半导体)和用于制造这些溶液的溶剂(可使用其他合适的有机溶剂)。光敏层也可以是混合材料，其可包括主要具有(host with)如图3B中所示的纳米棒、量子点或独立的量子阱结构的半导电聚合物。如图3B中所示是串联电池阵列，作为示例的每一个半导体具有在太阳光谱的特定区域处的光谱重叠和最大吸收。以此方式，可设计电池阵列以获得太阳光谱的较大重叠。如果没有单个半导体可做到这点，阵列中的一组半导体，以此方式被排列，吸收更多的光谱且所以增加了电池的效率。
示例6。制造第二电极。通过溅射技术，在小于10-6mbar的压力下蒸镀顶部铝电极。逐渐地增加沉积速率来获得＞100nm厚的铝电极。可理解的是还可使用其他较低功函数的电极。图4A和4B每一个示出在沉积铝第二电极之后在包覆之前的平板像素串联电池的样本。图4A是第二电极沉积之后的太阳能电池。对于光伏应用，示例金属是Ca和Al，但是这些可以由较低功函数和较高功函数材料的混合来定义，其中一些可以是合金。还可采用诸如溅射、热蒸发、印刷、平版印刷、刮刀刮涂之类的不同沉积技术来制造第二电极，即，阴极。图4B示出使用有机半导体作为活性材料的光伏的各种设置的示例。图4A和4B示出可如何制作有机光伏的像素阵列。在涂覆时，有缺陷(针孔)的那些可与其他保持整体较高性能的电池断开。还可形成不同设置，不论是异质结、肖特基二极管、p-n结，且在一些情况下使用有机聚合物作为复合混合结构中的主要成分(host)。
示例7。平板像素电池阵列的测试。为了测试任何电短路的器件(太阳能电池的阳极和阴极之间具有较低电阻，即，电连接)，设计了探针头(图5)。图5示出含有20个探针尖端的原型探针头。20个白色电线的每一个被连接至装有弹簧的触头，该触头作为要测试的每一个像素器件的阳极的探针尖端。选择带有相对较大表面积的装有弹簧的触头，从而在制造电触头时不会损坏器件。黑线也连接至装有弹簧的触头，以类似方式与公共阴极进行电接触。可理解的是探针尖端的数量取决于所制造器件的数量；且因此可检验宏区域(macroarea)的尺寸。它们可被作为单个系统而测量，或者对于多于一层的测试作为多个头而测量。
示例探针头具有“n”个装有弹簧的探针尖端的阵列，其布局和每个像素器件阳极和公共阴极的布局成镜像(图6A和6B)。图6A示出与实际原型器件相接触的探针头的放大视图。其显示出探针尖端如何同时地与单个阵列中的很多像素器件接触。使用商业上可获得的产品解决方案，这个器件的概念可被放大-要被测试的器件的数量-‘n’可被理想地放大到n＝240。如图6B中所示，更多头被放在一起可同时测试更多器件，使过程更有效率。
探针尖端以这样的方式被连接至“倍增器模块”：其容许每一个独立器件的阳极和公共阴极之间具有已知电阻的高度导电的电路径(图7)。图7是简化的电路图，示出所使用的倍增器中的每一个通道如何与探针尖端相关连接。这是可如何将已知电阻施加在跨每一个通道的高和低输出处(也对应于每一个像素器件的阳极和阴极)。
倍增器被集合在Keithley 2700 Integra系列集成开关/测量/数据记录系统(DMM)(图8A和图8B)中，其经由USB GPIB接口受到计算机控制。图8A示出整个的探针头测试装备和Keithley设备。图8B示出打开的倍增器卡。一旦如图示将相关的电连接和电阻放到位，这个卡被放置在Keithley DMM内。可能来引导该DMM来测量每一个阳极/公共阴极组合之间的电阻。使用DMM生产商的软件或者用户编写的合适的程序，示出测试结果的包覆阵列的数据表被显示在屏幕上。表现出在公差范围之外或较低电阻率(由短路导致的，该短路引起与已知电阻并联的较低电阻)的器件是故障器件。一般地，失效的器件接着必须被与像素器件阵列中的其他器件电隔离开。
通过增加合适的电源电表连接到这个设置，还可能表征每一个独立像素电池的性能。这可由触发DMM的电源电表来完成。对于DMM扫描通过的每一个器件(通道)，DMM触发其电源电表并等待电表运行电流-电压(I-V)曲线测量。可使用Lab View或类似地使用其他合适的编程语言来控制这些器件。可能图形化地显示或者以制成表格的数据来显示每一个像素器件的每一个I-V曲线。
示例8。失效器件的电隔离。选择没有通过电测试过程的器件和那些表现出不正常的I-V曲线(其可影响最终器件的整体性能)的器件从像素阵列中移除。这可通过从衬底上移除它们的电连接/追踪线、或者通过沿着这个追踪部分在衬底上切割出小槽来实现。这个过程可被集合在电探针头组装中作为质量控制过程的一部分。
示例9。电极互连件的沉积。在将任何失效的或有较坏缺陷的器件从像素电池阵列中移除之后，制造第一电极互连件。这可通过将导电胶或其他合适的导电物质跨图案化的第一电极施加来形成互连的第一电极而实现。这个过程还可通过使用合适掩模来蒸发或溅射而实现。在沉积第一电极互连件之前，将多余的聚合物从衬底抹去。
示例10。聚合物光伏像素包覆串联电池的封装。作为这样的密封剂的示例，粘土矿物是分层的硅材料，对于改进聚合物气体阻挡和各种其他性质，如，模数、抗拉强度、热稳定性等，特别地有效。与各种聚合物一起使用粘土矿物来减少氧气渗透性。这些片型填充物具有非常大的表面积和较高的纵横比，能允许它们在非常小的浓度极大地改变聚合物母体的行为。当不能渗透的片被充足地插入聚合物母体或从聚合物母体中剥离时，这些片来创建微小的障碍过程，也被称为弯曲路径(如图9A中所示)，其极大地增加了氧气通过聚合物扩散所需要的时间。图9A示出氧气需要通过充满粘土的聚合物扩散的弯曲路径的示意图，当不能渗透的粘土片被充足地插入聚合物母体或从聚合物母体中剥离时，这些粘土片创建微小的障碍过程，其极大地增加了氧气通过聚合物扩散到达衬底所需要的时间。图9B示出蒙脱粘土的结构。注意每一个被插入的片之间的距离为约1nm大小。然而，每一片的表面积可大至μm2大小。通过调整复合物中的粘土/聚合物比例，可控制被插入和被剥离的粘土的比例，这可影响最终封装层的厚度(从10nm到10μm)和透明度(在550nm高达90％)。这个粘土/聚合物复合物对于聚合物光伏像素包覆串联电池的封装是理想的。这个无机-有机混合涂覆代表了与硅基太阳能电池的传统物理封装不同的全新封装系统。其作为粘性/密封层对于水蒸气和蒸汽的阻挡，以及阻隔天气状况的外层。对于柔性模块和有机聚合物光伏像素的包覆设计中的非平面表面是非常适合的。
为了制备粘土/聚合物复合物，使用诸如聚乙烯亚胺(PEI)或聚(氯化二烯丙基二甲基铵)(PDDA)之类的阳离子型聚合物与粘土(蒙脱)在水性溶液中混合。通过在包覆电池的电极(阴极)的顶部旋涂或将整个包覆电池浸没在复合物溶液中，然后在氮气下干燥，来实现粘土/聚合物复合物的沉积。可通过多层沉积来实现完全封装。这个聚合物沉积易于适应工业涂覆处理，诸如用于大面积封装的辊-对-辊或刮刀刮涂。
示例11，围绕实心支承包覆平面。一旦封装了平面像素阵列电池，其就绪可用于包覆过程。可以两个可能的设置之一来包覆电池：如图10A和10B中分别所示的(a)中央支承衬底，和(b)中央支承封装。图10A和10B示出包覆平面像素串联电池的两种方法。‘a’部分示出通过在中央支承衬底来包覆电池的包覆设置，而‘b’部分中支承封装而包覆电池。平面像素串联电池的一端被固定在位而另一端被固定到中央支承。然后沿长度来辊中央支承而包覆聚合物光伏电池。然后松开另一端且紧固到位。可理解的是图10A和10B主要地示出衬底和封装的取向而并不意在将被包覆的面限制为圆周截面。上述两个取向的任一个的面板可以图10C中所示的方式来包覆。用作支承和用作波导的诸如塑料、玻璃、光线之类的任何合适材料可被结合作为中央支承。图11示出围绕塑料杆包覆的原型的单个有源层像素串联包覆电池。此处示出的杆的直径为12mm，但可小至10μm。衬底是PET，但可以是另一个合适的透明的塑料衬底。
示例12。有机光伏像素串联包覆电池的体系结构。以像素相关的方式构建包覆太阳能电池体系结构。如图12A-E中所示，其基本上由彼此并联地连接的多个太阳能电池构成。诸如图12A和12B中所示的每一个器件可通过金电极连接在一起。可理解的是其他高导电的金属，诸如Pt、Pd或Ag是可用于替代金电极的示例。如果任意器件表现出短路形式，通过断开连接至器件的ITO区域和Au连接电极之间的连接来将它们与其他器件断开。图12C示出在多接触和包覆之前具有不同层类型的典型的微型电池。图12D示出在多接触和包覆之前具有不同层类型的另一种典型的微型电池。关键的层是衬底(A)、半导体层(D)和两个电极(B&F)。可使用其它层来增强器件的性能并改进质量和/或效率，并降低所产生的针孔的数量。图12E示出图12A中图示的针孔缺陷的一个。
包覆电池体系结构包括一层接着一层的旋涂的光伏层。在这个情况下，第一层被旋涂在经蚀刻的有ITO纹带的衬底上。电极被沉积在光伏材料顶部。金胶被用于在非常基本的器件中连接层。可理解的是还可使用掩模并溅射连接所有不同的像素器件的接触层。像素串联包覆电池的制造策略容许过程中增强的柔性。一旦获得了理想的衬底，可用多个方法执行电池不同层的沉积。可用诸如丝网印刷、喷墨印刷、浸涂或喷涂之类的不同涂覆方法来在衬底上涂覆关键的半导体层和可任选的缓冲层和间隔层。类似地，可使用诸如热蒸发、溅射或平版印刷之类的技术来沉积电极。
图13示出这样的体系结构的简化的等效电路图。这个电路包括并联的多个二极管，尽管在不同电设置中还可使用串联。具体地，图13示出像素串联包覆电池的简化的等效电路图；这个电路包括并联连接的多个二极管。然而，还可串联连接这个电路。
图14示出使用上述的仅具有一个有源层的单个太阳能电池的等效电路的模拟电流-电压(i-v)曲线。
图15示出两个连接在一起的器件的模拟i-v曲线，产生短路电流之和。二极管的并联连接增加了每一个二极管的短路电流(Isc)且全部Isc增加。参看图15，最终包覆电池中的开路电压(忽略诸如形态之类的事项)取决于电极之间的界面和功函数差异。电流-电压(i-v)曲线中所示，在良好的制造条件下，可保持Voc与其输出合理地一致。然而，通过跨这个体系结构中含有多个器件，电流输出以(J1+J2+J3+...+Jn)的形式增加，这样整体上可获得更大的电流。在包覆结构中(接下来的像素相关)，单位面积中贡献电流的数量增加，且避免针孔事项的同时模仿全面积电极。
图16示出使用了多于一个有源层的本发明的实施例。实际上，器件的串联本质允许多个组合，每一个器件可被用于管理特定预定义的光谱区域。通过具有多个有源层，可能放宽光谱吸收并通过将所有器件以图示方式附接而整体上产生较大的电流。图16示出在包覆之前电池的串联本质的形貌。器件的串联本质允许多个组合。使用具有特定有源层的每一个器件来管理特定预定义的光谱区域。通过具有如本发明中所描述的多个有源层，可能放宽光谱吸收并通过将所有器件以图示方式附着而整体上产生较大的电流。
本体系结构通过避免跨整个太阳能电池的短路而从制造角度获得较大益处。太阳能电池可由多个像素器件制成，每一个独立地连接至整个宏电池。如果这些像素中的一个短路，可将其从器件的其他部分脱离，这样减少了器件的失效率并允许使用较大面积的电池。在制造较大光伏器件时器件制造和针孔是严重的限制，而器件的像素本质通过在缺陷像素器件中发生短路时将较小的像素器件隔离并能使它们断开连接来克服这个问题。如图16中所示，整体效应是可制造较大面积的器件，而没有单个像素损坏宏电池的可能性。
本发明通过形成多个小器件来克服这个限制，因此减少了产生针孔的可能性。在器件短路的情况下(由于制造缺陷)，本体系结构允许轻易地将它同其它器件断开连接并因此跨器件而隔离其负面影响。本设计允许制造大面积的像素相关的体系结构。这个方法提供制造宏尺寸上无缺陷器件的更大的可能，即使整体体系结构中少量器件是失效物。
除了形态事项(诸如缺陷和针孔)，开路电压是光伏器件的另一个关键特性。开路电势(Voc)取决于底部和第二电极之间的界面和功函数差异。如上用i-v曲线所示，期待的是Voc应该与其输出合理地一致，在合理地良好的制造条件下。跨这个体系结构含有多个器件的优势在于，所期望的电流输出形式为(J1+J2+J3+...+Jn)，这样整体上可获得更大的电流。
包覆的最终步骤是实际地包覆器件。一旦如上所述形成了平板，然后包覆这个结构来形成类似于辊纸中所示的多层。然后，通过电力产生输出来定义包覆的直径。如图11中所示是简单的单有源层包覆电池。可使用中心支承来机械地稳定器件，这可允许我们锚定内层。为了优化器件，最好具有透镜在包覆顶部来引导发散的光进入像素串联包覆电池。光将反射通过体系结构，且进入有源层的谐振光将被吸收。
示例13。有机像素串联发光二极管的体系结构。有机光伏像素串联包覆电池的类似体系结构也可被采用到有机像素串联发光二极管。图17中示出复杂的OLED体系结构。参看图17，并不是在有机层内产生电荷载流子，我们还可施加电场来产生光发射。所施加的场提升电子到更高的激发状态，且电子释放时，其发射光。像素系统的体系结构减少了故障的OLED电池的数量，同时然后可使用包覆过程来将光引导出器件，特别是在如果使用了透镜来创建经聚焦的发光的情况下。在阴极和阳极之间，分别可使用诸如聚(对亚苯基亚乙烯基)(PPV)之类的p-型材料和诸如二萘嵌苯二酰亚胺衍生物(PDB)之类的n-型材料作为空穴传输材料(HTM)和电子传输材料(ETM)。可使用具有较高电致发光效率的有机染料和无机金属合成物来用作夹在HTM和ETM之间的发射器。这个多层的器件设置允许用于电荷传输、光吸收和光感受器中电荷光子产生的有机材料的独立的优化。
还可使用包覆体系结构来形成有机发光二极管(OLED)阵列。可以与光伏串联包覆电池类似的方式来制造该器件。电致发光材料，以及合适的阳极/阴极材料组合，被沉积在衬底上。由于其可被设置为从分层结构的顶部或底部发射光，或理想地利用半透明阳极和阴极以使其能在两个方向上都发光，这个器件增加了灵活性。类似于作为互连的(串联/并联设置)太阳能电池的每一个像素，包覆体系结构OLED包括连接至公共并联阳极/阴极连接设置的OLED像素阵列。这个设计概念是有利的，因为它解决了发光强度问题，并且通过使用更有效的封装过程来增加器件寿命。由衬底收集所有发射的光，衬底作为波导来引导光到位于包覆体系结构顶部的孔径透镜。选择这个透镜来收集来自包覆的光并校准/聚焦/发散光。透镜系统还可以是可互换的光过滤系统的一部分。以与吸收光谱类似的方式，包覆体系结构OLED的发射光谱可被修改来适合特定应用需求。电致发光材料的适当选择可获得可能结合了两个非常不同的频谱区域的光输出的非传统的发射光谱。用户可选择具有公共宽波带发射包覆OLED并选择性地选择通过合适的滤波器选择来发射光谱的什么部分。对于像素串联包覆电池设计的一些修改包括：用镜面或可确保从像素发射的所有光的有效使用的高反射率材料添加到最外侧壁和包覆基底。
示例14。另一种光伏像素电池的体系结构。接下来的示例是用像素体系结构来形成平板电池的。尽管图示为玻璃衬底，也可调节该方法用于塑料衬底。因此，可使用该方法来产生适于被包覆的电池。
使用特定步骤制造交叉和线性像素阵列OSC。首先，使用锌粉/18％HCl(液体)蚀刻衬底(具有8-12Ω/□表面导电率的涂覆ITO的载玻片，Aldrich)达10秒钟，接着使用1.5％Micro 90(15分钟)、水(15分钟x 2个循环)以及异丙醇(15分钟)来声波降解来形成如图1和2中所示的ITO底部接触片(阳极)的理想图案。在暴露ITO的底部接触片上溅射互连件(一般是Au)。接着用臭氧等离子处理衬底达6分钟，然后以3000rpm来旋涂PEDOT:PSS(CleviosPH750，H.C.Starck)达3分钟。在80℃炉子中干燥衬底达1小时，并以2200rpm在PEDOT:PSS层顶部旋涂P3HT/PCBM(单独从Aldrich购买)(以重量比1∶068的比例，在无水氯苯中12g/L)层达2分钟。所获得的衬底在充满氯苯蒸汽的环境中以室温来溶剂退火(solvent-annealed)达30分钟，并在80℃炉子里干燥达1小时。通过定制遮蔽掩模，如图18和19中所示，在P3HT/PCBM层顶部热蒸镀图案化的Al电极。在特征化之前，用使用环氧树脂的载玻片在惰性氮气气氛(～10％相对湿度)中封装所有器件。
OSC的特征化。使用与AM1.5G过滤器(使用NREL认证的Oriel 91150VSolar Reference Si Cell校准)耦合的Abet LS 150Xenon弧光灯源作为光源。所有测量在充满氮气的手套箱(～10％相对湿度)中执行。调节光源来以1sun(100mW/cm2)照明该器件。使用Keithley 2400光源仪来确定电流-电压特性。用Leistz ERGOLUX显微镜以0.05分辨率的千分比例来确定每一个像素的尺寸。在我们目前实验室条件下制造的器件表现为平均PCE～2.6％(Voc～0.61V，Jsc～7.8mA/cm以及FF～0.55)。
图18示出使用交叉布局的电极形貌的示意图。每一个像素的面积用阳极条宽度(x)和阴极条宽度(y)来定义。红色箭头显示电流(空穴)需要行进到达收集器的距离，对每一个像素都不同。短路整个模块的失效像素(红色圆圈)的隔离将不可避免地切断一些工作电池(黑色正方形)。
图19示出使用线性像素阵列布局的电极形貌的示意图。每一个像素的面积仅由覆盖阳极的阴极的面积(x·y)来定义。红色箭头显示电流(空穴)需要行进到达收集器的距离，对每一个像素都相同。短路整个模块的失效像素(红色圆圈)的隔离将不会切断其他工作电池。
图20示出使用多个线性像素阵列布局的电极形貌的示意图。每一个阵列具有并联连接的16个像素。串联地连接四个独立阵列来形成整个模块。
图21示出在这个研究中使用的线性像素阵列布局的示意示例。在同一个ITO载波片商沉积具有不同像素面积的两个线性像素阵列，来合适地将每一个阵列的PCE与其面积相比较。
图22示出具有附加数量像素的多个线性像素阵列的电流-电压特性。观察到通过并联连接输出的成比例的电流。
图23示出不同阵列面积的线性像素阵列的PCE的依赖性。在同样的实验室条件下制造并特征化所有器件。
从上述描述中，本领域普通技术人员可轻易地确定本发明的必要特征，在不背离其中精神和范围的情况下，可作出各种改变和修改来将本发明适应于各种用途和条件。此处公开的实施例意在说明性而不应该并认为是本发明范围的限制，这被定义在接下来的权利要求中。

Claims (22)

1.光电器件，所述光电器件包括：
面板，包括：
第一导电层；
设置在所述第一导电层上且与所述第一导电层电通信的半导电层；以及
设置在所述半导电层上且与所述半导电层电通信的第二导电层；
其中所述电池被安放为围绕中心轴延伸，其中所述第一和第二导电层中的一个的区域被设置成相对于所述第一和第二导电层中另一个的对应区域径向在外。
2.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述电池被安放为围绕所述中心轴延伸超过360度以使电池自身重叠。
3.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，还包括中央支承。
4.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述半导电层包括多个半导体区域，每一个半导体区域含有与其他半导体区域不同的半导体的，其中所述区域轴向地变化。
5.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述第一导电层被设置在衬底上。
6.根据权利要求5所述的光电器件，其特征在于，所述衬底包括透明聚合物。
7.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，密封剂被设置在所述第二导电层上。
8.根据权利要求7所述的光电器件，其特征在于，所述密封剂包括粘土。
9.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一导电层包括至少一个金阳极。
10.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述第一导电层包括第一图案来形成多个第一电极。
11.根据权利要求10所述的光电器件，其特征在于，所述第一图案包括所述第一电极的方位角向隔离。
12.根据权利要求10所述的光电器件，其特征在于，所述第一图案包括隔离所述第一电极的轴向隔离。
13.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述第二导电层包括第二图案来形成多个第二电极。
14.根据权利要求13所述的光电器件，其特征在于，所述第二图案包括所述第二电极的方位角向隔离。
15.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述器件包括光伏器件。
16.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述器件包括有机发光二极管。
15.一种光电器件，包括：
中央支承；以及
电池，其包括：
衬底；
设置在所述衬底上的第一导电层；
设置在所述第一导电层上且与所述第一导电层电通信的半导电层；
设置在所述半导电层上且与所述半导电层电通信的第二导电层；以及
设置在所述第二导电层上的密封剂；
其中所述电池被安放为围绕中心支承延伸，其中所述衬底和密封剂中的一个的区域被设置成相对于所述衬底和密封剂中的另一个径向在外；
其中所述电池被安放为围绕所述中心轴延伸超过360度以使电池自身重叠；
其中所述半导电层包括多个半导体区域，每一个半导体区域含有与其他半导体区域不同的半导体，其中所述区域轴向地变化；
其中所述第一导电层包括第一图案来形成多个第一电极；以及
其中所述第二导电层包括第二图案来形成多个第二电极。
16.根据权利要求15所述的光电器件，其特征在于，所述衬底包括聚合物，所述密封剂包括粘土，且所述第一电极包括金阳极。
17.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述器件包括光伏器件。
18.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述器件包括有机发光二极管。
19.制造光电器件的方法，其包括：
形成光电电池，其中所述形成包括：
在第一导电层上沉积半导电层；以及
在半导电层上沉积第二导电层，以使该电池包括第一和第二导电层和所述半导电层；以及
围绕中心轴包覆所述光电器件。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述形成还包括在衬底上沉积所述第一导电层。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述形成还包括在所述第二衬底上沉积密封剂。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述形成还包括：
提供具有图案化的导电层的光电电池，所述导电层包括多个电极；并且其中所述方法还包括：
测试所述电极中的每一个来检测缺陷；以及
电隔离所述缺陷。
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