CN103283049A - 热电装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

在一些实施方式中，本发明描述了热电装置以及热电装置的各种应用。在一些实施方式中，本发明所描述的热电装置包括与至少一个n-型层结合的至少一个p-型层以提供pn结，以及至少部分地设置在所述p-型层与所述n-型层之间的绝缘层，所述p-型层包括多个碳纳米颗粒而所述n-型层包括多个n-掺杂的碳纳米颗粒。

Description

热电装置及其应用
相关申请的引用
根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2010年10月18日提交的美国临时专利申请序列号61/394,293的优先权，其全部内容通过参考并入本文。
技术领域
本发明涉及热电物质（电热物质）并且，具体地，涉及结合热电物质的装置（电热物质的装置）。
背景技术
热能在发电中广泛使用。然而，通过目前的方法将热能转变为电能的效率较低，范围从约30%至40%。因此，大量的热能以废物形式逸入环境中。估计在每年全球的电力生产中约15太瓦的能量流失到环境中。
热电物质能够捕获热量用于另外的电力产生。热电效率由优值，ZT来定量。
显示较高ZT值的热电物质具有较高的热电效率。制造具有适当的ZT值的热电物质经常是困难的和/或昂贵的。例如，铋硫族化合物提供具有0.7至1.0范围的ZT值的优异的热电性质。这些物质可以被纳米结构化以产生交替的Bi2Te3和Bi2Se3层的超点阵结构，产生具有可接受的电导率和较弱的热导率的物质。然而，这些物质的制造可能是耗时并且昂贵的。
此外，由于制造要求和其他物质的耐受性，许多热电物质不能使其自身易于掺入各种各样的装置中用于热收集和发电。
发明内容
在一方面，本文描述了热电装置，在一些实施方式中，其能够克服或减轻现有热电物质的一种或多种缺点。在一些实施方式中，本文所描述的热电装置包括与至少一个n-型层结合的至少一个p-型层以提供pn结，以及至少部分地设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括多个碳纳颗粒而n-型层包括多个n-掺杂的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层的碳纳米颗粒是p-掺杂的。
在一些实施方式中，本文所描述的热电装置包括与多个n-型层结合的多个p-型层以提供多个pn结，以及至少部分地设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层，其中至少一个p-型层包括多个碳纳米颗粒而至少一个n-型层包括多个n-掺杂的碳纳米颗粒。
在一些实施方式中，本文所描述的热电装置的p-型层进一步包括其中设置碳纳米颗粒的聚合物基体。在一些实施方式中，n-型层进一步包括其中设置n-掺杂的碳纳米颗粒的聚合物基体。在一些实施方式中，本文所描述的热电装置的p-型层和n-型层为堆叠构型。
在本文所描述的热电装置的一些实施方式中，包括p-掺杂和n-掺杂的碳纳米管的碳纳米颗粒可以用一种或多种无机半导体纳米颗粒替代。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒包括IV族物质、II/V族物质或III/V族物质或它们的组合。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒包括量子点和/或纳米线（nanowire）。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒具有与本文所描述的任何碳纳米颗粒一致的尺寸。
在另一方面，本文描述了包括光电组件和热电组件的光热装置，所述热电组件包括与至少一个n-型层结合的至少一个p-型层以提供pn结，以及至少部分地设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括多个碳纳米颗粒而n-型层包括多个n-掺杂的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，热电组件包括与多个n-型层结合的多个p-型层以提供多个pn结，以及至少部分地设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层。
在一些实施方式中，光-热装置进一步包括处于光电组件和热电组件之间的斯托克斯位移层。在一些实施方式中，斯托克斯位移层包括可操作产生用于传递到热电组件邻侧的热能的一种或多种斯托克斯位移化学物质。在一些实施方式中，斯托克斯化学物质吸收通过光电组件的电磁辐射。
此外，在一些实施方式中，由一种或多种斯托克斯位移化学物质发射的辐射被光电组件吸收。
在另一方面，本文描述了制造热电装置的方法。在一些实施方式中，制造热电装置的方法包括提供包括大量碳纳米颗粒的至少一个p-型层，提供包括大量n-掺杂的碳纳米颗粒的至少一个n-型层，将绝缘层设置在p-型层和n-型层之间，并结合p-型层和n-型层以提供pn结。在一些实施方式中，多个p型层和n型层被提供并且彼此结合，从而形成多个pn结。在一些实施方式中，将绝缘层设置在p-型层和n-型层之间。另外，在制造热电装置方法的一些实施方式中，p-型层和n-型层以堆叠构型排列。
在另一方面，本文描述了制造光-热装置的方法。在一些实施方式中，制造光-热装置的方法包括提供光电组件，提供热电组件并结合光电组件和热电组件，热电组件包括与至少一个n-型层结合的至少一个p-型层以提供pn结，以及至少部分地设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括多个碳纳米颗粒而n-型层包括多个n-掺杂的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，如本文所描述，热电组件包括与多个n-型层结合的多个p-型层以提供多个pn结。
在一些实施方式中，制造光-热装置的方法进一步包括将斯托克斯位移层设置在光电组件和热电组件之间。
在另一方面，本文描述了将电磁能转化成电能的方法。在一些实施方式中，将电磁能转化成电能的方法包括提供包括光电组件和与光电组件结合的热电组件的装置，热电组件包括与至少一个n-型层结合的至少一个p-型层以提供pn结，以及至少部分地设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括大量碳纳米颗粒而n-型层包括大量n-掺杂的碳纳米颗粒，用光电组件吸收电磁辐射以提供光电流，并加热热电组件的一侧以诱导横过（跨）热电组件的电压。
在一些实施方式中，加热电组件的一侧包括将在光电组件中产生的热转移到热电组件的一侧。另外，在一些实施方式中，加热热电组件的一侧包括在光电组件和热电组件之间提供斯托克斯位移层，用斯托克斯位移层吸收电磁辐射以产生热和电磁辐射并将产生的热转移到热电组件的一侧。在一些实施方式中，由斯托克斯位移层产生的电磁辐射被传送到光电组件用于产生光电流。
在下面的具体实施方式中，更加详细地描述了这些以及其他实施方式。
附图说明
图1说明根据本文所描述的一个实施方式的热电装置的侧面展开图。
图2说明根据本文所描述的一个实施方式的热电装置。
图3说明在根据本文所描述的一些实施方式的聚合物基体中各种碳纳米管负荷的泽贝克系数值。
图4说明根据本文所描述的一个实施方式的光-热装置。
图5说明根据本文所描述的一个实施方式的热电装置的侧面展开图。
具体实施方式
通过参考下面详细的描述、实施例以及附图可以更加容易地理解本文所描述的实施方式。然而，本文中所描述的元素、装置和方法不限于在详细的描述、实施例以及附图中提供的具体实施方式。应当理解的是这些实施方式仅说明本发明的原理。本领域技术人员可以容易地清楚许多改变和适应，而不偏离本发明的精神和范围。
另外，本文中描述的所有范围应当理解成包括包含在其中的任何以及所有的子范围。例如，所陈述的范围“1.0至10.0”应当理解成包括以1.0以上的最小值开始并以10.0以下的最大值结束的任何和所有子范围，例如1.0至5.3，或4.7至10.0，或3.6至7.9。
在一些实施方式中，本文描述了热电装置，热电装置包括与至少一个n-型层结合的至少一个p-型层以提供pn结，以及至少部分地设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括多个碳纳米颗粒而n-型层包括多个n-掺杂的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层的碳纳米颗粒是p-掺杂的。
在一些实施方式中，本文所描述的热电装置包括与多个n-型层结合的多个p-型层以提供多个pn结，以及至少部分地设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层，其中至少一个p-型层包括大量碳纳米颗粒而至少一个n-型层包括大量n-掺杂的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，在p-型层和n-型层之间在pn结部位提供金属接触。在一些实施方式中，例如，p-型层与n-型层通过金属接触结合以提供本文所描述的热电装置的pn结。
在一些实施方式中，本文所描述的热电装置的p-型层进一步包括其中设置碳纳米颗粒的聚合物基体。在一些实施方式中，n-型层进一步包括其中设置n-掺杂的碳纳米颗粒的聚合物基体。在一些实施方式中，本文所描述的热电装置的p-型层和n-型层为堆叠构型。
图1说明根据本文所描述的一个实施方式的热电装置的展开侧视图。图1中说明的热电装置包括以交替方式与n-型层（2）结合的两个p-型层（1）。P-型层（1）和n-型层（2）的交替结合为热电装置提供z-型构型，在装置的相对侧上具有pn结（4）。绝缘层（3）被设置在p-型层（1）和n-型层（2）的界面之间，因为p-型层（1）和n-型层（2）为堆叠构型。如本文所描述的，图1中提供的热电装置是处于展开状态以有助于说明和理解装置的各个组件。然而，在一些实施方式中，热电装置不处于展开状态，使得绝缘层（3）与p-型层（1）和n-型层（2）接触。
图1另外地说明了通过使装置的一侧暴露于热源而诱导的通过热电装置的电流。电接触（X）提供给热电装置用于将热产生的电流应用于外部负荷。
图2说明根据本文所描述的一个实施方式的热电装置（200），其中p-型层（201）和n-型层（202）为堆叠构型。p-型层（201）和n-型层（202）通过堆叠构型的绝缘层（207）而隔开。热电装置（200）通过电接触（204，205）与外部负荷连接。
现在转到可以包括在本文所描述的热电装置的各种实施方式中的组件，本文所描述的热电装置包括包含大量碳纳米颗粒的至少一个p-型层。
在一些实施方式中，P-型层的碳纳米颗粒包括富勒烯、碳纳米管，或它们的混合物。在一些实施方式中，富勒烯包括1-(3-甲氧基羰基)丙基-1-苯基(6,6)C61（PCBM）。在一些实施方式中，碳纳米管包括单壁碳纳米管（SWNT）、多壁碳纳米管（MWNT），以及p-掺杂的单壁碳纳米管、p-掺杂的多壁碳纳米管或它们的混合物。
在一些实施方式中，p-掺杂的单壁碳纳米管和/或p-掺杂的多壁碳纳米管包括约0.1重量百分比至约30重量百分比范围量的硼。在一些实施方式中，p-掺杂的单壁碳纳米管和/或p-掺杂的多壁碳纳米管包括约5重量百分比至约25重量百分比或约10重量百分比至约20重量百分比范围量的硼。在一些实施方式中，p-掺杂的单壁碳纳米管和/或p-掺杂的多壁碳纳米管包括少于约0.1重量百分比量的硼。在一些实施方式中，p-掺杂的单壁碳纳米管和/或p-掺杂的多壁碳纳米管包括氧。
在一些实施方式中，将p-型掺杂剂结合到单壁和/或多壁碳纳米管的晶格中。在一些实施方式中，将p-型掺杂剂通过围绕单壁和/或多壁碳纳米管的环境外部地提供给碳纳米管。如本文进一步描述的，在一些实施方式中，将p-型层的碳纳米管放置到聚合物基体中。在一些实施方式中，聚合物基体可以将p-掺杂剂提供到碳纳米管的表面。在一些实施方式中，其中聚合物基体将p-掺杂剂提供到碳纳米管的表面，碳纳米管在结合到聚合物基体中之前并未p-掺杂。可替代地，在一些实施方式中，其中聚合物基体将p-掺杂剂提供到碳纳米管的表面，碳纳米管在结合到聚合物基体中之前包括p-掺杂剂。然而，在一些实施方式中，还将化学物质设置在聚合物基体中，如碱金属，可以用作碳纳米管的p-掺杂剂。
在一些实施方式中，p-型层的碳纳米颗粒具有较高的长宽比（长径比）。如本文使用的，术语长宽比（长径比）是指碳纳米颗粒的长度除以碳纳米颗粒的直径或宽度。在一些实施方式中，p-型层的碳纳米颗粒显示范围在约1至约106的长宽比。在一些实施方式中，碳纳米颗粒显示范围在约10至约100,000的长宽比。在一些实施方式中，碳纳米颗粒具有范围在约10至约10,000或约5至约1000的长宽比。
在一些实施方式中，包括碳纳米管的P-型层的碳纳米颗粒具有范围在约1nm至约5nm或约10nm至约1nm的长度。在一些实施方式中，碳纳米颗粒具有范围在约50nm至约500μm、约100nm至约100μm或约500nm至约10μm的长度。在一些实施方式中，碳纳米颗粒具有范围在约200μm至约500μm的长度。
在一些实施方式中，P-型层的碳纳米颗粒具有范围在约1nm至约100nm的直径。在一些实施方式中，碳纳米颗粒具有范围在约10nm至约80nm或约20nm至约60nm的直径。在一些实施方式中，碳纳米颗粒具有大于约100nm或小于约1nm的直径。
在一些实施方式中，包括碳纳米管的p-型层的碳纳米颗粒以衬垫构型（mat configuration）提供。
在一些实施方式中，p-型层包括范围在约0.1重量百分比至约100重量百分比的量的本文所描述的一种或多种碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层包括至少约2重量百分比的量的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层包括至少约5重量百分比或至少约10重量百分比的量的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层包括约2重量百分比至约50重量百分比的量的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层包括约5重量百分比至约30重量百分比的量的碳纳米颗粒。
在一些实施方式中，本文所描述的p-型层的碳纳米颗粒的加载可以参考所要求的层的泽贝克系数来选择。图3说明根据本文所描述的一些实施方式作为p-型层的聚偏氟乙烯（PVDF）基体的SWNT加载的函数的泽贝克系数。如在图3中说明的，范围在5重量百分比至100重量百分比的SWNT加载提供用了p-型层的泽贝克系数的范围。
如本文所描述的，在一些实施方式中，p-型层进一步包括其中设置有碳纳米颗粒的聚合物基体。与本发明的目的一致的任何聚合物材料可以用于生产聚合物基体。在一些实施方式中，聚合物基体包括氟聚合物，包括但不限于，聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）或它们的混合物或共聚物。在一些实施方式中，聚合物基体包括聚丙烯酸（PAA）、聚甲基丙烯酸酯（PMA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或它们的混合物或共聚物。在一些实施方式中，聚合物基体包括聚烯烃，包括但不限于，聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或它们的混合物或共聚物。
在一些实施方式中，聚合物基体包括一种或多种共轭聚合物。在一些实施方式中，共轭聚合物包括噻吩类包括聚(3-己基噻吩)（P3HT）、聚(3-辛基噻吩)（P3OT），以及聚噻吩（PTh）。
在一些实施方式中，聚合物基体包括一种或多种半导体聚合物。在一些实施方式中，半导体聚合物包括苯乙炔类（phenylene vinylene），如聚(苯乙炔)和聚(对-苯乙炔)（PPV），以及它们的衍生物。在一些实施方式中，半导体聚合物可以包括聚(2-乙烯基吡啶)（P2VP）、聚酰胺、聚(N-乙烯基咔唑)（PVCZ）、聚吡咯（PPy），以及聚苯胺（PAn）。在一些实施方式中，半导体聚合物包括聚[2,6-(4,4-二-(2-乙基己基)-4H-环戊烷并[2,1-b;3,4-b']二噻吩)-交替-4,7-(2,1,3-苯并噻二唑)]（PCPDTBT）。
在一些实施方式中，p-型层可以具有与本发明的目的一致的任何希望的厚度。在一些实施方式中，p-型层具有至少约10nm或至少约100nm的厚度。在一些实施方式中，p-型层具有至少约500nm或至少约1μm的厚度。一些实施方式中，p-型层具有至少约5μm或至少约15μm的厚度。在一些实施方式中，p-型层具有约5nm至约50μm的厚度。在一些实施方式中，p-型层具有约50nm至约30μm的厚度。在一些实施方式中，p-型层具有约100nm至约20μm的厚度。在一些实施方式中，p-型层具有约10nm至约100nm的厚度。
在一些实施方式中，p-型层可以具有与本发明的目的一致的任何希望的长度。在一些实施方式中，p-型层具有至少约1μm或至少约10μm的长度。在一些实施方式中，p-型层具有至少约100μm或至少约500μm的长度。在一些实施方式中，p-型层具有至少约1mm或至少约10mm的长度。在一些实施方式中，p-型层具有约1μm至约100mm的长度。在一些实施方式中，p-型层具有约10μm至约500mm的长度。
在一些实施方式中，p-型层具有在290°K的温度下至少约5μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，p-型层具有在290°K的温度下至少约10μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，p-型层具有在290°K的温度下至少约15μV/K或至少约20μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，p-型层具有在290°K的温度下至少约30μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，p-型层具有在290°K的温度下约5μV/K至约35μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，p-型层具有在290°K的温度下约10μV/K至约30μV/K的泽贝克系数。
如本文所描述的，在一些实施方式中，p-型层的泽贝克系数可以根据碳纳米颗粒的身份和加载而变化。在一些实施方式中，例如，p-型层的泽贝克系数与p-型层的单壁碳纳米管加载成反比。
除了至少一个p-型层，本文描述的热电装置包括包含大量n-掺杂的碳纳米颗粒的至少一个n-型层。
在一些实施方式中，N-掺杂的碳纳米颗粒，包括富勒烯、碳纳米管、或它们的混合物。在一些实施方式中，富勒烯包括1-(3-甲氧基羰基)丙基-1-苯基(6,6)C61（PCBM）。在一些实施方式中，n-掺杂的碳纳米管包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或它们的混合物。
在一些实施方式中，包括碳纳米管的n-型层的碳纳米颗粒以衬垫构型提供。
在一些实施方式中，N-掺杂的单壁碳纳米管和/或n-掺杂的多壁碳纳米管包括范围在约0.1重量百分比至约30重量百分比的量的氮。在一些实施方式中，n-掺杂的单壁碳纳米管和/或n-掺杂的多壁碳纳米管包括范围在约5重量百分比至约25重量百分比或约10重量百分比至约20重量百分比的量的氮。在一些实施方式中，n-掺杂的单壁碳纳米管和/或n-掺杂的多壁碳纳米管包括少于约0.1重量百分比的量的氮。在一些实施方式中，n-掺杂的单壁碳纳米管和/或n-掺杂的多壁碳纳米管是脱氧纳米管。
在一些实施方式中，将n-型掺杂剂结合到单壁和/或多壁碳纳米管的晶格中。在一些实施方式中，通过围绕单壁和/或多壁碳纳米管的环境将n-型掺杂剂外部地提供给碳纳米管。如本文进一步描述的，在一些实施方式中，将n-型层的碳纳米管放置到聚合物基体中。在一些实施方式中，聚合物基体可以将n-掺杂剂提供到碳纳米管的表面。在其中聚合物基体将n-掺杂剂提供到碳纳米管表面的一些实施方式中，在结合到基体中之前碳纳米管并未被n-掺杂。在其中聚合物基体将n-掺杂剂提供到碳纳米管表面的一些实施方式中，在结合到基体中之前碳纳米管被n-掺杂。
在一些实施方式中，n-型层的n-掺杂的碳纳米颗粒具有较高的长宽比。在一些实施方式中，n-型层的n-掺杂的碳纳米颗粒显示范围在约1至约106的长宽比。在一些实施方式中，n掺杂的碳纳米颗粒显示范围在约10至约100,000的长宽比。在一些实施方式中，n-掺杂的碳纳米颗粒具有范围在约10至约10,000或约5至约1000的长宽比。
在一些实施方式中，包括碳纳米管的n-型层的碳纳米颗粒具有范围在约1nm至约5mm或约10nm至约1mm的长度。在一些实施方式中，n掺杂的碳纳米颗粒具有范围在约50nm至约500μm、约100nm至约100μm或约500nm至10μm的长度。在一些实施方式中，n掺杂的碳纳米管具有范围在约200pm至约500μm的长度。
在一些实施方式中，n-型层的碳纳米颗粒具有范围在约1nm至约100nm的直径。在一些实施方式中，n-掺杂的碳纳米颗粒具有范围在约10nm至约80nm或约20nm至约60nm的直径。在一些实施方式中，n-掺杂的碳纳米颗粒具有大于约100nm或小于约1nm的直径。
在一些实施方式中，n-型层可以包括范围在约0.1重量百分比至约100重量百分比的量的本文所描述的一种或多种n-掺杂的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，n-型层包括至少约2重量百分比的量的n-掺杂的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，n-型层包括至少约5重量百分比或至少约10重量百分比的量的n掺杂的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，n-型层包括约2重量百分比至约50重量百分比的量的n-掺杂的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，n-型层包括约5重量百分比至约30重量百分比的量的n-掺杂的碳纳米颗粒。与p-型层一样，在一些实施方式中，n-型层的纳米颗粒加载可以参考所希望的层的泽贝克系数来确定。
如本文所描述的，在一些实施方式中，n-型层进一步包括其中放置n-掺杂的碳纳米颗粒的聚合物基体。与本发明的目的一致的任何聚合物材料可以用于生产用于接收n-掺杂的碳纳米颗粒的聚合物基体。在一些实施方式中，聚合物基体包括氟聚合物，包括但不限于，聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、或它们的混合物或共聚物。在一些实施方式中，聚合物基体包括聚丙烯酸（PAA）、聚甲基丙烯酸酯（PMA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或它们的混合物或共聚物。在一些实施方式中，聚合物基体包括聚烯烃，包括但不限于，聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或它们的混合物或共聚物。
在一些实施方式中，n-型层的聚合物基体包括一种或多种共轭聚合物。在一些实施方式中，共轭聚合物包括噻吩类包括聚(3-己基噻吩)（P3HT）、聚(3-辛基噻吩)（P3OT），以及聚噻吩（PTh）。
在一些实施方式中，n-型层的聚合物基体包括一种或多种半导体聚合物。在一些实施方式中，半导体聚合物包括苯乙炔类，如聚(苯乙炔)和聚(对-苯乙炔)（PPV），以及它们的衍生物。在另外的实施方式中，半导体聚合物可以包括聚芴类、萘类，以及它们的衍生物。在一些实施方式中，半导体聚合物包括聚(2-乙烯基吡啶)（P2VP）、聚酰胺、聚(N-乙烯基咔唑)（PVCZ）、聚吡咯（PPy），以及聚苯胺（PAn）。
在一些实施方式中，n-型层可以具有与本发明的目的一致的任何希望的厚度。在一些实施方式中，n-型层具有至少约1nm的厚度。在一些实施方式中，n-型层具有至少约10nm或至少约100nm的厚度。在一些实施方式中，n-型层具有至少约500nm或至少约1μm的厚度。在一些实施方式中，n-型层具有至少约5μm或至少约15μm的厚度。在一些实施方式中，n-型层具有约5nm至约50μm的厚度。在一些实施方式中，n-型层具有约50nm至约30μm的厚度。在一些实施方式中，n-型层具有约100nm至约20μm的厚度。
在一些实施方式中，n-型层可以具有与本发明的目的一致的任何希望的长度。在一些实施方式中，n-型层具有至少约1μm或至少约10μm的长度。在一些实施方式中，n-型层具有至少约100μm或至少约500μm的长度。在一些实施方式中，n-型层具有至少约1mm或至少约10mm的长度。在一些实施方式中，n-型层具有约1μm至约100mm的长度。在一些实施方式中，n-型层具有约10μm至约500mm的长度。在一些实施方式中，n-型层具有与邻近的p-型层共同延伸或基本共同延伸的长度。
在一些实施方式中，n-型层具有在290°K的温度下至少约-5μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，n-型层具有在290°K的温度下至少约-10μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，n-型层具有在290°K的温度下至少约-15μV/K或至少约-20μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，n-型层具有在290°K的温度下至少约-30μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，n-型层具有在290°K的温度下约-5μV/K至约-35μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，n-型层具有在290°K的温度下约-10μV/K至约-30μV/K的泽贝克系数。
在一些实施方式中，n-型层的泽贝克系数可以根据n-掺杂的碳纳米颗粒的身份和加载而变化。在一些实施方式中，例如，n-型层的泽贝克系数与n-型层的碳纳米颗粒加载成反比。
在本文所描述的热电装置的一些实施方式中，包括p-掺杂和n-掺杂的碳纳米管的碳纳米颗粒可以用一种或多种无机半导体纳米颗粒替代。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒包括第IV族物质、第II/V族物质或第III/V族物质或它们的组合。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒包括量子点和/或纳米线。在一些实施方式中，无机半导体纳米材料提供有分别用于本文所描述的p-层和n-层的p-掺杂剂或n-掺杂剂。
在一些实施方式中，本文所描述的热电装置还包括设置在至少一个p-型层和至少一个n-型层之间的绝缘层。在一些实施方式中，绝缘层是电绝缘的。在一些实施方式中，绝缘层是电绝缘且热绝缘的。在一些实施方式中，热电装置包括设置在多个p-型层和n-型层之间的多个绝缘层。在一些实施方式中，绝缘层允许本文所描述的热电装置的p-型层和n-型层以堆叠构型排列。
在一些实施方式中，绝缘层包括一种或多种聚合物材料。与本发明的目的一致的任何聚合物材料可以用于生产绝缘层。在一些实施方式中，绝缘层包括聚丙烯酸（PAA）、聚甲基丙烯酸酯（PMA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或它们的混合物或共聚物。在一些实施方式中，绝缘层包括聚烯烃，包括但不限于，聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或它们的混合物或共聚物。在一些实施方式中，绝缘层包括PVDF。
绝缘层可以具有与本发明的目的一致的任何希望的厚度。在一些实施方式中，绝缘层具有至少约50nm的厚度。在一些实施方式中，绝缘层具有至少约75nm或至少约100nm的厚度。在一些实施方式中，绝缘层具有至少约500nm或至少约1μm的厚度。一些实施方式中，绝缘层具有至少约5μm或至少约15μm的厚度。在一些实施方式中，绝缘层具有约50nm至约50μm的厚度。在一些实施方式中，绝缘层具有约50nm至约30μm的厚度。在一些实施方式中，绝缘层具有约100nm至约20μm的厚度。
绝缘层可以具有与本发明的目的一致的任何希望的长度。在一些实施方式中，绝缘层具有与其间设置绝缘层的p-型层和n-型层的长度基本一致的长度。在一些实施方式中，绝缘层具有至少约1μm或至少约10μm的长度。在一些实施方式中，绝缘层具有至少约100μm或至少约500μm的长度。在一些实施方式中，绝缘层具有至少约1mm或至少约10μm的长度。在一些实施方式中，绝缘层具有约1μm至约100μm的长度。在一些实施方式中，绝缘层具有约10μm至约500mm的长度。
在一些实施方式中，本文所描述的热电装置包括多个p-型层和多个n-型层。在一些实施方式中，热电装置可以包括与本发明的目的一致的任何数量的p-型层和n-型层。在一些实施方式中，p-型层和n-型层以交替形式和堆叠构型排列，被绝缘层隔开。在一些实施方式中，热电装置包括至少3个p-型层和至少3个n-型层。在一些实施方式中，热电装置包括至少5个p-型层和至少5个n-型层。在一些实施方式中，热电装置包括至少10个p-型层和至少10个n-型层。在一些实施方式中，热电装置包括至少15个p-型层和至少15个n-型层。在一些实施方式中，热电装置包括至少100个p-型层和至少100个n-型层。在一些实施方式中，热电装置包括至少1000个p-型层和至少1000个n-型层。
在一些实施方式中，包括一个或多个p-型层和一个或多个n-型层的本文所描述的热电装置具有织物形式。在一些实施方式中，织物是柔性的，允许将热电装置应用到具有不同表面形状和/或形态的多种基底。在一些实施方式中，例如，将热电装置应用至弯曲的和/或其他非平面的基底。
在一些实施方式中，具有本文描述构造的热电装置具有在290°K的温度下至少约25μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，本文描述的热电装置具有在290°K的温度下至少约30μV/K或至少约50μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，本文描述的热电装置具有在290°K的温度下至少约75μV/K或至少约100μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，本文描述的热电装置具有在290°K的温度下至少约150μV/K或至少约175μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，本文描述的热电装置具有在290°K的温度下至少约200μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，本文描述的热电装置具有在290°K的温度下范围在约25μV/K至约250μV/K的泽贝克系数。在一些实施方式中，本文描述的热电装置具有在290°K的温度下范围在约50μV/K至约150μV/K的泽贝克系数。
在一些实施方式中，本文所描述的热电装置具有至少0.5的ZT。在一些实施方式中，本文所描述的热电装置具有至少约0.7或至少约0.8的ZT。在一些实施方式中，本文所描述的热电装置具有至少约1或至少约1.5的ZT。在一些实施方式中，本文所描述的热电装置具有范围在约0.5至约2或约0.8至约1.5的ZT。在一些实施方式中，本文所描述的热电装置具有范围在约1至约1.3的ZT。在一些实施方式中，本文所描述的热电装置具有范围在约1至10的ZT。
在另一方面，本文描述了包括光电组件和热电组件的光-热装置，热电组件包括结合到至少一个n-型层上的至少一个p-型层以提供pn结，以及至少部分设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括大量碳纳米颗粒而n-型层包括大量n-掺杂的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，热电组件包括结合到多个n-型层上的多个p-型层以提供多个pn结，以及至少部分设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层。
图4说明根据本文描述的一个实施方式的光-热装置。图4中说明的光-热装置（400）包括结合到热电组件（402）上的光电组件（401）。热电组件可以包括用于热电装置的本文描述的任何结构。
而且，光电组件包括辐射透射型第一电极（404）、至少一个感光层（405）、激子阻挡层（406）以及第二辐射透射型电极（407）。在光热装置的一些实施方式中，热电组件附近的光电组件的电极是非-辐射透射型。
根据本文描述的一些实施方式，辐射透射型第一电极和第二电极包括辐射透射型导电氧化物。
在一些实施方式中，辐射透射型导电氧化物，可以包括铟锡氧化物（ITO）、镓铟锡氧化物（GITO），以及锌铟锡氧化物（ZITO）。在一些实施方式中，辐射透射型第一和第二电极可以包括辐射透射型聚合物材料如聚苯胺（PANI）以及它的化学相关物。在一些实施方式中，辐射透射型第一和第二电极包括ZnO：Al。
在一些实施方式中，3,4-聚乙烯二氧噻吩（PEDOT）可以是适合第一和/或第二电极的辐射透射型聚合物材料。在一些实施方式中，辐射透射型第一和/或第二电极可以包括具有可操作以至少部分通过可见电磁辐射的厚度的碳纳米管层。
在另外的实施方式中，辐射透射型第一和/或第二电极可以包括复合材料，该复合材料包括分散于聚合物相中的纳米颗粒相。在一些实施方式中，纳米颗粒相可以包括碳纳米管、富勒烯，或它们的混合物。在进一步的实施方式中，辐射透射型第一和/或第二电极可以包括具有可操作以至少部分通过可见电磁辐射的厚度的金属层。在一些实施方式中，金属层可以包括基本纯的金属或合金。适于用作辐射透射型第一电极的金属可以包括高逸出功金属。
在一些实施方式中，辐射透射型第一和第二电极可以具有范围在约10nm至约1μm的厚度。在一些实施方式中，辐射透射型第一和第二电极可以具有范围在约100nm至约900nm的厚度。在另外的实施方式中，辐射透射型第一和第二电极可以具有范围在约200nm至约800nm的厚度。在进一步的实施方式中，辐射透射型第一和第二电极可以具有大于约1μm的厚度。
在一些实施方式中，辐射透射型第一和第二电极彼此独立地构建。在一些实施方式中，辐射透射型第一和第二电极彼此参考地构建。
在一些实施方式中，光电组件的至少一个感光层包括有机组合物。在一些实施方式中，感光有机层具有范围在约30nm至约1μm的厚度。在另外的实施方式中，感光有机层具有范围在约80nm至约800nm的厚度。在进一步的实施方式中，感光有机层具有范围在约100nm至约300nm的厚度。
根据本文描述的实施方式，感光有机层包括至少一个光活性区，其中吸收电磁辐射以产生随后可以分裂成电子和空穴的激子。在一些实施方式中，光活性区可以包括聚合物。在一个实施方式中，适用于感光有机层的光活性区的聚合物可以包括共轭聚合物如噻吩类，包括聚(3-己基噻吩)（P3HT）、聚(3-辛基噻吩)（P3OT），以及聚噻吩（PTh）。
在一些实施方式中，适用于感光有机层的光活性区的聚合物可以包括半导体聚合物。在一个实施方式中，半导体聚合物包括苯乙炔类，如聚(苯乙炔)和聚(p-苯乙炔)（PPV），以及它们的衍生物。在一些实施方式中，半导体聚合物可以包括聚芴、萘、以及它们的衍生物。在进一步的实施方式中，用于感光有基层的光活性区的半导体聚合物可以包括聚（2-乙烯基吡啶）（P2VP）、聚酰胺、聚(N-乙烯基咔唑)（PVCZ）、聚吡咯（PPy），以及聚苯胺（PAn）。
根据一些实施方式，光活性区可以包括小分子。在一个实施方式中，适合用于感光有机层的光活性区的小分子可以包括香豆素6、香豆素30、香豆素102、香豆素110、香豆素153，以及香豆素480D。在另外的实施方式中，小分子可以包括部花青540。在进一步的实施方式中，小分子可以包括9,10-二羟基苯并[a]芘-7(8H)-酮、7-甲基苯并[a]芘、芘、苯并[e]芘、3,4-二羟基-3-环丁烯-1,2-二酮，以及1,3-二[4-(二甲基氨基)苯基-2,4-二羟基环丁烯二基鎓二氢氧化物]（1,3-二[4-(二甲基氨基)苯基-2,4-二羟基环丁烯二基鎓二氢氧化物]）。
在一些实施方式中，激子分裂在邻近的供体和受体物质之间形成的有机层的异质结处沉淀。在本文描述的一些实施方式中，有机层包括在供体和受体物质之间形成的至少一个本体异质结。在另外的实施方式中，有机层包括在供体和受体物质之间形成的多个本体异质结。
在有机物质的背景中，术语供体和受体是指两个接触但不同有机物质的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）能级的相对位置。这与在无机背景中这些术语的使用相对，其中供体和受体可以指可以用于分别产生无机n-和p-型层的掺杂剂的类型。在有机背景中，如果与另外的物质接触的一种物质的LUMO能级较低，则该物质是受体。否则，它是供体。在不存在外部偏差的情况下，它在能量上有利于供体-受体结处的电子移动进入受体物质，以及有利于空穴移动进入供体物质。
根据本文描述的一些实施方式，感光有机层的光活性区包括聚合物复合材料。在一个实施方式中，聚合物复合材料可以包括分散在聚合物相中的纳米颗粒相。适于产生光活性区的聚合物相的聚合物可以包括共轭聚合物，如噻吩类，包括聚(3-己基噻吩)（P3HT）和聚(3-辛基噻吩)（P3OT）。
在一些实施方式中，分散于聚合物复合材料的聚合物相中的纳米颗粒相包括至少一种碳纳米颗粒。碳纳米颗粒可以包括富勒烯、碳纳米管，或它们的混合物。在一个实施方式中，适合用于纳米颗粒相的富勒烯可以包括1-(3-甲氧基羰基)丙基-1-苯基(6,6)C61（PCBM）。根据一些实施方式，用于纳米颗粒相的碳纳米管可以包括单壁纳米管、多壁纳米管，或它们的混合物。
在本文描述的一些实施方式中，在聚合物复合材料中聚合物相对于纳米颗粒的比率范围约1:10至约1:0.1。在一些实施方式中，在聚合物复合材料中聚合物相对于纳米颗粒的比率范围约1:4至约1:0.4。在一些实施方式中，在聚合物复合材料中聚合物相对于纳米颗粒的比率范围约1:2至约1:0.6。在一个实施方式中，聚(3-己基噻吩)相对于PCBM的比率范围约1:1至约1:0.4。
在进一步的实施方式中，分散在聚合物相中的纳米颗粒相包括至少一种纳米须。如本文使用的，纳米须是指由多个碳纳米颗粒形成的结晶碳纳米颗粒。在一些实施方式中，纳米须可以通过退火包括聚合物复合材料的感光有机层来产生。根据一些实施方式，可操作形成纳米须的碳纳米颗粒可以包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管，以及富勒烯。在一个实施方式中，纳米须包括结晶PCBM。在一些实施方式中，退火感光有机层可以进一步增加纳米颗粒相分散在聚合物相中。
在包括聚合物相和纳米颗粒相的光活性层的实施方式中，聚合物相用作供体物质而纳米颗粒用作受体物质，从而形成用于将激子分离成空穴和电子的异质结。在其中纳米颗粒遍及聚合物相分散的实施方式中，有机层的光活性区包括多个本体异质结。在一些实施方式中，在感光有机层的光活性区中的供体物质可以包括有机金属化合物，包括卟啉类、酞菁类，以及它们的衍生物。在进一步的实施方式中，在感光有机层的光活性区中的受体物质可以包括二萘嵌苯、萘类，以及它们的混合物。
在一些实施方式中，光电组件的至少一个感光层包括无机组合物。在一些实施方式中，本文描述的感光无机层可以具有多种组合物。在一些实施方式中，本文描述的光电组件的感光无机层包括无机组合物，其包括第IV族半导体物质、第II/VI族半导体物质（如CdTe）、第III/V族半导体物质，或它们的组合或混合物。在一些实施方式中，感光无机层包括第IV族、第II/VI族，或第III/VI族二元，三元或四元系统。在一些实施方式中，感光无机层包括I/III/VI物质，如铜铟镓硒（CIGS）。在一些实施方式中，感光无机层包括多晶硅（Si）。在一些实施方式中，感光无机层包括微晶硅、纳米晶硅和/或原晶硅。在一些实施方式中，感光无机层包括多晶铜锌锡硫化物（CZTS）。在一些实施方式中，感光无机层包括微晶、纳米晶，和/或原晶CZTS。在一些实施方式中，CZTS包括Cu2ZnSnS4。在一些实施方式中，CZTS进一步包括硒（Se）。在一些实施方式中，CZTS进一步包括镓（Ga）。
在一些实施方式中，本文描述的光电组件的感光无机层包括无定形物质。在一些实施方式中，至少一个感光无机层包括无定形硅（a-Si）。在一些实施方式中，感光无机层的无定形硅是未钝化的或基本未钝化的。在一些实施方式中，感光无机层的无定形硅用氢钝化（a-Si:H）。在一些实施方式中，感光无机层的无定形硅不用氢钝化或是非-氢钝化的。在一些实施方式中，例如，感光无机层的无定形硅不包括或基本不包括Si:F。可替代地，在一些实施方式中，感光无机层的无定形硅是氟钝化的（a-Si:F）。
在一些实施方式中，可以通过掺杂在本文描述的感光无机层中建立一个或多个异质结。在一些实施方式中，例如，感光无机层的一个区用p-掺杂剂掺杂而感光无机层的另一个区用n-掺杂剂掺杂以提供异质结。在其中感光无机层的物质本质上是p-型的一些实施方式中，感光无机层的区域可以用n-掺杂剂来掺杂以提供异质结。在其中感光无机层的物质本质上是n-型的一些实施方式中，感光无机层的区域可以用p-掺杂剂来掺杂以提供异质结。
在一些实施方式中，掺杂适合掺杂的感光层的本文描述的任何无机物质以在感光层中建立一种或多种异质结。在一些实施方式中，例如，氢钝化的无定形硅用p-型和/或n-型掺杂剂来掺杂以建立一种或多种异质结。此外，在一些实施方式中，本文描述的无机感光层的第IV族、第III/V族和/或第II/VI族半导体物质可以用p-型和/或n-型掺杂剂来掺杂以提供一种或多种异质结。
在一些实施方式中，本文描述的光电组件包括至少一个感光无机层，其包括n-型区、本征区、以及p-型区。在一些实施方式中，n-型区由n-掺杂的无机半导体组成。在一些实施方式中，p-型区由p-掺杂的无机半导体组成。在一些实施方式中，本征区由非掺杂的无机半导体组成。
在一些实施方式中，本文描述的光电组件包括多结结构。在一些实施方式中，光电组件包括多个感光无机层，各个层包括n-型区、本征区、以及p-型区。在一些实施方式中，光电组件包括两个感光无机层，每个层包括n-型区、本征区、以及p-型区，由此提供双结装置。在一些实施方式中，光电组件包括三个感光无机层，每个层包括n-型区、本证区、以及p-型区，由此提供三结装置。在一些实施方式中，包括多个感光无机层，每个层包括n-型区、本征区、以及p-型区，多个无机层彼此邻近，使得在无机层之间形成一种或多种异质结。在一些实施方式中，例如，光电组件包括包含第一n-型区、第一本征区、以及第一p-型区的第一感光无机层；以及包含第二n-型区、第二本征区、以及第二p-型区的第二感光无机层，其中第一p-型区与第二n-型区邻近或第一n-型区与第二p-型区邻近。在一些实施方式中，本文描述的光电装置包括单结装置。如本领域技术人员已知的，在一些实施方式中，隧道结可以设置在本文描述的多结装置的结构中的第一、第二和/或第三感光无机层之间。
在一些实施方式中，光电组件包括多个感光有机层。
在其中在光电组件中存在多个感光层的一些实施方式中，感光层的吸收曲线并不重叠或并不基本重叠。在其中光电组件中存在多个感光层的一些实施方式中，感光层的吸收曲线至少部分重叠。在一些实施方式中，多个感光层可以用于光电组件中以捕捉太阳光谱的一个或多个区。
在一些实施方式中，光电组件的激子阻挡层（EBL）可以作用以限制光产生的激子到达分裂界面附近的区域并防止寄生激子在感光层/电极界面淬灭。除了限制激子可以在其上扩散的路径，EBL可以另外地作为扩散阻挡层作用到在电极沉积期间引入的物质上。在一些实施方式中，EBL可以具有足够的厚度以填充空穴或缩短缺陷，否则这会使光电装置不可操作。
根据本文描述的一些实施方式，EBL可以包括聚合物复合材料。在一个实施方式中，EBL包括分散在3,4-聚乙烯二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸酯（PEDOT:PSS）中的碳纳米颗粒。在另外的实施方式中，EBL包括分散在聚(偏二氯乙烯)以及其共聚物中的碳纳米颗粒。分散在包括PEDOT:PSS和聚(偏二氯乙烯)的聚合物相中的碳纳米颗粒可以包括单壁纳米管、多壁纳米管、富勒烯，或它们的混合物。在进一步的实施方式中，EBL可以包括具有可操作以允许空穴传送而阻止电子通过的逸出功能量的任何聚合物。
在一些实施方式中，EBL可设置在光活性组件的辐射透射型第一电极和有机感光层之间。在其中光电装置包括多个感光有机层的一些实施方式中，例如，可以将EBLs设置在感光有机层之间。
在一些实施方式中，光电组件包括一个或多个升频器和/或降频器。如本领域技术人员所理解的，升频器是可操作以发射具有比被该物质吸收的电磁辐射能量更高能量的电磁辐射以产生激发态的物质。适合用于一些实施方式的升频器，可以吸收红外辐射并发射可见辐射（在可操作以被本文描述的光电组件的感光有机层吸收的波长下）。
在一些实施方式中，升频器可以包括包含至少一种镧系元素的物质。在一些实施方式中，升频器物质可以包括包含至少一种镧系元素的纳米颗粒。根据本文描述的一些实施方式适合用于升频器物质的镧系元素包括铒、镱、镝、钬，或它们的混合物。在一些实施方式中，升频器物质包括掺杂有铒、镱、镝、钬，或它们的混合物的离子的金属氧化物和金属硫化物。在另外的实施方式中，光学纤维可直接掺杂有铒、镱、镝、钬，或它们的混合物的离子。
在另外的实施方式中，升频器物质可以包括有机化学物质。有机升频器物质可以包括H2C6N和4-二烷基氨基-1,8-萘酰亚胺类以及1,8-萘酰亚胺衍生物和化合物，如多分枝的萘酰亚胺衍生物TPA-NA1、TPA-NA2，以及TPA-NA3。有机升频器物质还可以包括4-(二甲氨基)肉桂腈（顺式和反式）、反式-4-[4-(二甲基氨基)苯乙烯基]-1-甲基吡啶碘化物、4-[4-(二甲基氨基)苯乙烯基]吡啶、4-(二甲基氨基)苯甲醛二苯基腙、反式-4-[4-(二甲基氨基)苯乙烯基]-1-甲基吡啶鎓对-甲苯磺酸盐、2-[乙基[4-[2-(4-硝基苯基)乙烯基]苯基]氨基]乙醇、4-二甲基氨基-4’-硝基均二苯代乙烯、分散橙25、分散橙3，以及分散红1。
在进一步的实施方式中，升频器物质可以包括量子点。根据一些实施方式，量子点可以包括III/V或II/V半导体物质，如硒化镉（CdSe）、碲化镉（CdTe），以及硒化锌（ZnSe）。升频器物质还可以包括量子点的核-壳结构。
除了本文所提供的这些，本文所描述的一些实施方式考虑了包括过渡金属如铬的另外的升频器物质。
在一些实施方式中，光电组件具有与在美国专利申请号12/298,942和12/298,936中所描述的一致的结构，将其各自的全部内容并入本文以供参考。
再次参考图4，光-热装置（400）进一步包括设置在光电组件（401）和热电组件（402）之间的斯托克斯位移层（403）。在一些实施方式中，斯托克斯位移层包括可操作产生用于传递至热电组件邻边的热能的一种或多种斯托克斯位移化学物质。在一些实施方式中，斯托克斯位移化学物质吸收通过光电组件（401）的电磁辐射。而且，在一些实施方式中，由一种或多种斯托克斯位移化学物质发射的辐射被光电组件（401）吸收。
与本发明的目的一致的任何斯托克斯位移物质可以用于结合到斯托克斯位移层中。在一些实施方式中，根据吸收和发射曲线选择适合的斯托克斯位移物质。在一些实施方式中，斯托克斯位移物质的吸收曲线不与光电组件的感光层的吸收曲线重叠。在一些实施方式中，斯托克斯位移物质的吸收曲线与光电组件的感光层的吸收曲线至少部分重叠。另外，在一些实施方式中，斯托克斯位移物质具有与光电组件的感光层的吸收曲线至少部分重叠的发射曲线。
在一些实施方式中，斯托克斯位移物质可操作以在电磁波谱的近紫外区吸收辐射。在一些实施方式中，例如，斯托克斯位移物质吸收具有范围在约300nm至约400nm波长的辐射。
在一些实施方式中，斯托克斯位移物质包括染料。可以使用与本发明的目的一致的任何染料。在一些实施方式中，例如，染料包括香豆素类、香豆素衍生物、芘类，以及芘衍生物中的一种或多种。在一些实施方式中，斯托克斯位移物质包括紫外光-可激发荧光团。适合用于本文描述的一些实施方式的染料的非限制性实例包括甲氧基香豆素、丹磺酰染料、芘、Alexa Fluor350、氨基甲基香豆素乙酸酯/盐（AMCA）、Marina Blue染料、Dapoxyl染料、二烷基氨基香豆素、bimane染料、羟基香豆素、Cascade Blue染料、Pacific Orange染料、Alexa Fluor405、Cascade Yellow染料、PacificBlue染料、PyMPO、以及Alexa Fluor430。
在一些实施方式中，斯托克斯位移物质包括磷光体。可以使用与本发明的目的一致的任何磷光体。在一些实施方式中，例如，磷光体包括一种或多种卤代磷酸磷光体和三磷光体。适合用于本文描述的一些实施方式的磷光体的非限制性实例包括Ca5(PO4)3(F,Cl):Sb3+、Mn2+；Eu:Y2O3；以及Tb3+、Ce3+:LaPO4。在一些实施方式中，磷光体包括磷光体颗粒。在一些实施方式中，磷光体颗粒可以混悬在流体中。
在另一方面，本文描述了制造热电装置的方法。在一些实施方式中，制造热电装置的方法包括提供包括大量碳纳米颗粒的至少一个p-型层，提供包括大量n-掺杂的碳纳米颗粒的至少一个n-型层，将绝缘层设置在p-型层和n-型层之间，并将p-型层和n-型层结合以提供pn结。在一些实施方式中，提供多个p-型层和n-型层并且彼此结合以形成多个pn结。在一些实施方式中，将绝缘层设置在p-型层和n-型层之间。另外，在制造热电装置的方法的一些实施方式中，p-层和n-层以堆叠构型排列。在一些实施方式中，p-层和n-层通过金属接触结合以提供pn结。在一些实施方式中，例如，p-层与n-层通过金属接触结合以提供本文描述的热电装置的pn结。
在另一方面，本文描述了制造光-电装置的方法。在一些实施方式中，制造光-电装置的方法包括提供光电组件，提供热电组件并结合光电组件和热电组件，该热电组件包括与至少一个n-型层结合的至少一个p-型层以提供pn结，以及至少部分地设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层，该p-型层包括大量碳纳米颗粒而该n-型层包括大量n-掺杂的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，如本文所描述的，热电组件包括与多个n-型层结合的多个p-型层以提供多个pn结。
在一些实施方式中，制造光-热装置的方法进一步包括将斯托克斯位移层设置在光电组件和热电组件之间。
在另一方面，本文描述了将电磁能转换成电能的方法。在一些实施方式中，将电磁能转换成电能的方法包括提供包括光电组件和与光电组件结合的热电组件的装置，该热电组件包括与至少一个n-型层结合的至少一个p-型层以提供pn结，以及至少部分地设置在p-型层和n-型层之间的绝缘层，该p-型层包括大量碳纳米颗粒而该n-型层包括大量n-掺杂的碳纳米颗粒，用光电组件吸收电磁辐射以提供光电流，并加热热电组件的一侧从而诱导穿过该热电组件的电压。
在一些实施方式中，加热电组件的一侧包括将在光电组件中产生的热转移到热电组件的一侧。另外，在一些实施方式中，加热热电组件的一侧包括在光电组件和热电组件之间提供斯托克斯位移层，用斯托克斯位移层吸收电磁辐射以产生热和电磁辐射并将产生的热转移到热电组件的一侧。在一些实施方式中，由斯托克斯位移层产生的电磁辐射被传送到光电组件用于产生光电流。
通过下面非限制性实施例进一步说明这些和其他的实施方式。
实施例1
热电装置
通过提供加入了17.5ml的二甲基丙烯酰胺（DMA）的35mg的单壁碳纳米管（SWNT）来制备第一p-型层。将获得的混合物高能超声处理一小时。将聚偏氟乙烯（PVDF）以基于总固体给予SWNT混合物的20重量百分比的量加入到混合物中。将获得的SWNT/PVDF/DMA混合物高能超声处理一小时。
将具有75mm x45mm尺寸的载玻片用甲醇清洗并放在90℃的热板上。将SWNT/PVDF/DMA混合物均匀地倒在载玻片上，并且允许DMA蒸发。将干燥的SWNT/PVDF膜放置在100℃的烘箱中12小时进行退火。随后将载玻片从烘箱中移出，并将甲醇倒在SWNT/PVDF膜上。将SWNT/PVDF膜小心地从载玻片上移去，在去离子水中洗涤，然后干燥。
根据前述操作制备第二p-型层。此外，根据前述操作制备n-型层，不同之处在于将n-掺杂的碳纳米管与DMA和PVDF结合。
根据前述操作制备两个绝缘层。将600mg的聚丙烯（pp）以0.025mlDMA相对于1mg的聚丙烯粉末的比例加入到DMA中。超声处理获得的混合物，直至PP粉末溶解在DMA中。将具有75mm x45mm尺寸的载玻片用甲醇清洗并放在90℃的热板上。将PP/DMA混合物均匀地倒在载玻片上，然后允许DMA蒸发。将甲醇倒在得到的PP膜上，并将PP膜小心地从载玻片上移去。
随后将这两个p-型层、n-型层和两个绝缘层结合以提供如图5中说明的热电装置。在图5中放大了得到的热电装置用于说明该装置的各个组件。
已经描述了本发明的多个实施方式用来实现本发明的多个目的。应当理解的是这些实施方式仅是本发明原理的说明。在不偏离本发明的精神和范围的条件下，本领域的技术人员可以容易地清楚其多种修改和改变。

Claims (38)

1.一种热电装置，包括：
与至少一个n-型层结合的至少一个p-型层以提供pn结；以及
至少部分地设置在所述p-型层和所述n-型层之间的绝缘层，所述p-型层包括多个碳纳米颗粒而所述n-型层包括多个n-掺杂的碳纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的热电装置，包括与多个n-型层结合的多个p-型层以提供多个pn结，以及至少部分地设置在所述p-型层和所述n-型层之间的绝缘层。
3.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述p-型层的碳纳米颗粒包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯或它们的混合物。
4.根据权利要求3所述的热电装置，其中所述p-型层的所述碳纳米颗粒包括硼。
5.根据权利要求4所述的热电装置，其中所述硼以约0.1重量百分比至约30重量百分比范围的量存在于所述碳纳米颗粒中。
6.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述n-型层的所述n-掺杂的碳纳米颗粒包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯或它们的混合物。
7.根据权利要求6所述的热电装置，其中所述n-掺杂的碳纳米颗粒包括氮。
8.根据权利要求7所述的热电装置，其中所述氮以约0.1重量百分比至约30重量百分比范围的量存在于所述碳纳米颗粒中。
9.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述p-型层的所述碳纳米颗粒被设置在聚合物基体中。
10.根据权利要求9所述的热电装置，其中所述聚合物基体包括氟聚合物。
11.根据权利要求10所述的热电装置，其中所述氟聚合物包括聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或它们的混合物。
12.根据权利要求9所述的热电装置，其中所述聚合物基体包括聚丙烯酸类、聚烯烃或它们的混合物。
13.根据权利要求9所述的热电装置，其中所述碳纳米颗粒以约5重量百分比至约95重量百分比范围的量存在于所述聚合物基体中。
14.根据权利要求9所述的热电装置，其中所述碳纳米颗粒以约10重量百分比至约40重量百分比范围的量存在于所述聚合物基体中。
15.根据权利要求9所述的热电装置，其中所述p-型层具有在290°K温度下约10μV/K至约35μV/K范围的泽贝克系数。
16.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述n-型层的所述n-掺杂的碳纳米颗粒被设置在聚合物基体中。
17.根据权利要求16所述的热电装置，其中所述聚合物基体包括氟聚合物。
18.根据权利要求17所述的热电装置，其中所述氟聚合物包括聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或它们的混合物。
19.根据权利要求16所述的热电装置，其中所述聚合物基体包括聚丙烯酸类、聚烯烃或它们的混合物。
20.根据权利要求16所述的热电装置，其中所述n-掺杂的碳纳米颗粒以约5重量百分比至约95重量百分比范围的量存在于所述聚合物基体中。
21.根据权利要求16所述的热电装置，其中所述n-掺杂的碳纳米颗粒以约10重量百分比至约40重量百分比范围的量存在于所述聚合物基体中。
22.根据权利要求16所述的热电装置，其中所述聚合物基体向所述n-掺杂的碳纳米颗粒提供n-掺杂剂。
23.根据权利要求16所述的热电装置，其中所述n-型层具有在290°K温度下约-10μV/K至约-35μV/K范围的泽贝克系数。
24.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述绝缘层包括电绝缘的聚合物质。
25.根据权利要求24所述的热电装置，其中所述电绝缘的聚合物质包括聚烯烃。
26.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述p-型层的所述碳纳米颗粒用p-掺杂的无机纳米颗粒替代，而所述n-型层的所述n-掺杂的碳纳米颗粒用n-掺杂的无机纳米颗粒替代。
27.根据权利要求2所述的热电装置，具有至少0.5的ZT。
28.一种光-热装置，包括：
光电组件和热电组件，所述热电组件包括：
与至少一个n-型层结合的至少一个p-型层以提供pn结；以及
至少部分地设置在所述p-型层和所述n-型层之间的绝缘层，所述p-型层包括多个碳纳米颗粒而所述n-型层包括多个n-掺杂的碳纳米颗粒。
29.根据权利要求28所述的光-热装置，其中所述热电装置包括与多个n-型层结合的多个p-型层以提供多个pn结，以及至少部分地设置在所述p-型层和所述n-型层之间的绝缘层。
30.根据权利要求28所述的光-热装置，其中所述p-型层的碳纳米颗粒包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯或它们的混合物。
31.根据权利要求30所述的光-热装置，其中所述n-型层的所述n-掺杂的碳纳米颗粒包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯或它们的混合物。
32.根据权利要求28所述的光-热装置，其中所述p-型层的所述碳纳米颗粒被设置在聚合物基体中而所述n-型层的所述n-掺杂的碳纳米颗粒被设置在聚合物基体中。
33.根据权利要求28所述的光-热装置，其中所述光电组件包括辐射透射型第一电极和辐射透射型第二电极以及设置在所述辐射透射型第一电极与所述辐射透射型第二电极之间的至少一个感光层。
34.根据权利要求33所述的光-热装置，其中所述至少一个感光层包括感光性有机材料、感光性无机材料或它们的组合。
35.根据权利要求33所述的光-热装置，进一步包括设置在所述光电组件与所述热电组件之间的斯托克斯位移层，所述斯托克斯位移层包括一个或多个斯托克斯位移化学物质。
36.根据权利要求35所述的光-热装置，其中所述一个或多个斯托克斯位移化学物质能够吸收通过所述光电组件的电磁辐射。
37.根据权利要求35所述的光-热装置，其中所述一个或多个斯托克斯位移化学物质包括染料。
38.根据权利要求35所述的光-热装置，其中所述一个或多个斯托克斯位移化学物质包括磷。
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