CN103563115B - 串列式光伏电池 - Google Patents

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Abstract

该公开内容特征为包括第一和第二电极；第一和第二电极之间的第一和第二光敏层和第一和第二光敏层之间的复合材料的系统。第一光敏层位于第一电极和复合材料之间。第二光敏层位于第二电极和复合材料之间。复合材料包括第一空穴阻挡层和第一空穴载流子层。第一空穴阻挡层包括n型半导体材料和聚胺，该聚胺的至少一些分子是交联的。系统成形为光伏系统。

Description

串列式光伏电池
相关申请的交叉引用
依照35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2011年5月9日提交的U.S.临时申请序列号为61/483,825的优先权，将其内容引入本文作为参考。
技术领域
本公开内容涉及串列式光伏电池以及相关的系统、方法和组件。
背景
对于发展光伏技术存在日益增长的兴趣，主要由于对于减少化石燃料基能源消费和依赖性的需求。光伏技术也被许多人视为环境友好的能源技术。然而，对于待成为商业可行能源技术的光伏技术而言，光伏系统(使用一个或多个光伏电池以将光转换为电能的系统)的材料和制造成本应在某些合理的时间范围下是可收回的。但是，在某些情况下，与实际设计的光伏系统相关的电池性能和/或材料成本已限制了它们的实用性和用途。
概述
该公开内容基于以下预料不到的发现：包括n型半导体材料(例如取代的富勒烯)和交联聚胺的互连层可用以形成具有大量子电池(例如10个或更多个子电池)的串列式光伏电池，同时最小化两个邻近子电池之间的电压损耗。因此，由此形成的串列式光伏电池电压输出通常等于子电池中产生的总电压。
一方面，该公开内容特征为包括第一和第二电极；第一和第二电极之间的第一和第二光敏层和第一和第二光敏层之间的复合材料的系统。第一光敏层位于第一电极和复合材料之间。第二光敏层位于第二电极和复合材料之间。复合材料包括第一空穴阻挡层和第一空穴载流子层。第一空穴阻挡层包括n型半导体材料和聚胺，聚胺的至少一些分子是交联的。系统成形为光伏系统。
另一方面，该公开内容特征为包括第一和第二电极；第一和第二电极之间的第一和第二光敏层和第一和第二光敏层之间的复合材料的系统。复合材料包括包含n型半导体材料和聚胺的第一层。系统成形为光伏系统。
又一方面，该公开内容特征为方法，包括将含n型半导体材料、聚胺和交联剂的组合物放置于基底上以形成通过基底支撑的层；和加热层以交联聚胺的至少一些分子，从而形成第一空穴阻挡层。
实施方案可包括一个或多个以下特征。
在一些实施方案中，n型半导体材料可包括富勒烯例如取代的富勒烯(例如C61-PCBM或C71-PCBM)。
在一些实施方案中，聚胺可为聚乙烯亚胺或其共聚物。
在一些实施方案中，聚胺的至少一些分子可通过交联剂例如含环氧基化合物(例如甘油丙氧基三缩水甘油基醚或甘油二缩水甘油基醚)交联。
在一些实施方案中，第一空穴阻挡层可具有约20nm-约200nm(例如约30nm-约60nm)的厚度。
在一些实施方案中，第一空穴阻挡层可具有约3.5eV-约4.5eV的功函数。
在一些实施方案中，第一空穴载流子层可包括p型半导体材料。例如，p型半导体材料可包括聚合物或金属氧化物。聚合物可选自聚噻吩(例如聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)或聚(噻吩并[3,4-b]噻吩))、聚苯胺、聚咔唑、聚乙烯基咔唑、聚苯撑、聚苯乙烯撑、聚硅烷、聚亚噻吩基乙烯撑、聚异硫萘及其共聚物。金属氧化物可包括选自氧化镍、氧化钒、氧化钨、氧化钼、氧化铜、氧化锶铜和氧化锶钛的氧化物。在一些实施方案中，p型半导体材料可包括分散于聚合物中的金属氧化物。
在一些实施方案中，第一空穴载流子层可具有约4.8eV-约6.5eV的功函数。
在一些实施方案中，系统可进一步包括第一电极和第一光敏层之间的第二空穴阻挡层。在该实施方案中，第一光敏层可位于第二空穴阻挡层和第一空穴载流子层之间。在一些实施方案中，第二空穴阻挡层可由与用以制成第一空穴阻挡层的材料不同的材料制成。例如，第二空穴阻挡层可包括LiF、金属氧化物或胺。
在一些实施方案中，系统可进一步包括第二电极和第二光敏层之间的第二空穴载流子层。在该实施方案中，第二光敏层可位于第一空穴阻挡层和第二空穴载流子层之间。例如，第二空穴载流子层可包括选自聚噻吩、聚苯胺、聚咔唑、聚乙烯基咔唑、聚苯撑、聚苯乙烯撑、聚硅烷、聚亚噻吩基乙烯撑、聚异硫萘及其共聚物或混合物的聚合物。
在一些实施方案中，系统可成形为串列式光伏系统。
在一些实施方案中，方法可进一步包括在将组合物施用于基底之前，将第一电极、第一光敏层和第一空穴载流子层相继放置于基底上。在该实施方案中，方法可进一步包括将第二光敏层和第二电极相继放置于第一空穴阻挡层上。方法可进一步包括在放置第一光敏层之前将第二空穴阻挡层放置于第一电极上和/或在放置第二电极之前将第二空穴载流子层放置于第二光敏层上。
在一些实施方案中，以上各个放置步骤经由基于液体的涂覆工艺进行。
由说明书、附图和由权利要求书将使本公开内容中主题的其它特征、目标和优点显而易见。
附图说明
图1为本公开内容所述串列式光伏电池实施方案的剖视图。
图2为含串联电连接的多个光伏电池的系统示意图。
图3为含并联电连接的多个光伏电池的系统示意图。
图4A和4B为显示了实施例4所述串列式光伏电池在光照射(soaking)条件下稳定性的图。
图5A和5B为显示了实施例4所述串列式光伏电池在湿热老化条件下稳定性的图。
多个附图中相同参考符号指示相同元件。
详述
图1显示了示例性串列式光伏电池100，其具有基底110、电极120、可选的空穴阻挡层130、光敏层140、复合材料150、光敏层160、可选的空穴载流子层170、电极180、基底190、电极120和180之间的电连接和经由电极120和180电连接至光伏电池100的外部负载。复合材料150包括两个层，即空穴载流子层152和空穴阻挡层156。
光伏电池100包括两个子电池。第一子电池包括电极120、可选的空穴阻挡层130、光伏层140和复合材料150。第二子电池包括复合层150、光敏层160、可选的空穴载流子层170和电极180。第一和第二子电池经由电极120和180电连接并共用复合层150(其可被视为第一和第二子电池之间的共用电极)以致它们串联电连接。
通常，在使用期间，光可撞击第一子电池电极120的表面并穿过电极120和可选的空穴阻挡层130。然后光可与光敏层140相互作用。剩余光可进一步穿过复合材料150并与第二子电池的光敏层160相互作用。光和光敏层120和160之间的相互作用可造成在各光敏层中电子从电子给体材料(例如聚(3-己基噻吩)(P3HT))转移至电子受体材料(例如C61-苯基-丁酸甲酯(C61-PCBM))。然后，在光敏层140和160中的电子受体材料可分别将电子转移至电极120和复合材料150。在光敏层140和160中的电子给体材料可分别将空穴转移至复合材料150和电极180。因此，从第一子电池产生的空穴可与从第二子电池产生的电子在复合材料150中再结合(例如在层152和156的接触面处)。在使用期间，电极120和180电连接至外部负载以致电子自电极120穿过外部负载至电极180。
参见图1，复合材料150可包括空穴阻挡层156和空穴载流子层152。
空穴阻挡层156通常由在用于光伏电池100中的厚度下将电子传输至空穴载流子层152并充分阻挡空穴传输至空穴载流子层152的材料形成。空穴阻挡层156通常包括n型半导体材料和聚胺。
适当的n型半导体材料的实例包括富勒烯例如未取代的富勒烯或取代的富勒烯。未取代的富勒烯的实例包括C60、C70、C76、C78、C82、C84、和C92。取代的富勒烯的实例包括用苯基-丁酸甲酯(PCBM，例如苯基-C61-丁酸甲酯(C61-PCBM)或苯基-C71-丁酸甲酯(C71-PCBM))取代的富勒烯或用C1-C20烷氧基取代的富勒烯，所述C1-C20烷氧基任选地进一步用C1-C20烷氧基和/或卤素(例如，(OCH2CH2)2OCH3或OCH2CF2OCF2CF2OCF3)取代。富勒烯的其它实例已描述于例如共同所有的U.S.专利号7,329,709和国际申请号WO 2011/160021中。在某些实施方案中，n型半导体材料的组合可用于空穴阻挡层156中。
在一些实施方案中，空穴阻挡层156可包括至少约20wt％(例如至少约30wt％、至少约40wt％、至少约50wt％)和/或最多约75wt％(例如最多约70wt％、最多约60％或最多约50wt％)的n型半导体材料。
在一些实施方案中，n型半导体材料(例如取代的富勒烯)可溶解于用以溶解其它用以制备空穴阻挡层156的成分的溶剂(例如醇和氯化溶剂的混合物)中。不希望受到任何理论的限制，据信该n型半导体材料可促进均匀空穴阻挡层156的形成。另外，不希望受到任何理论的限制，据信使用该n型半导体材料可促进具有相对大厚度(例如约30nm-约60nm)同时仍然维持层156导电率的空穴阻挡层156的形成。由此形成的层156可最小化两个邻近子电池之间的分流和最小化由分流引起的电压损耗，从而形成具有通常等于子电池总电压之和的电压输出的串列式光伏电池。
如本文所用，术语“聚胺”指的是具有两个或更多个氨基包括伯氨基、仲氨基和叔氨基的聚合物。在空穴阻挡层156中适当的聚胺的实例包括聚乙烯亚胺或它们的共聚物。在某些实施方案中，在空穴阻挡层156中至少一些(例如，基本上全部)聚胺分子可为交联的，例如经由交联剂交联。示例性交联剂包括含环氧基的化合物，例如甘油丙氧基三缩水甘油基醚和甘油二缩水甘油基醚。不希望受到任何理论的限制，据信交联聚胺可导致交联的空穴阻挡层156，其可起到用以制备光敏层160的溶剂的隔离物作用以防止溶剂到达空穴阻挡层156之下的层(例如空穴载流子层152或光敏层140)，从而防止导致光伏电池100中第一和第二子电池之间的分流和/或防止破坏光敏层140的形态。在一些实施方案中，聚胺和交联剂之间的重量比可为约1:2至约2:1(例如约1:1)。
在一些实施方案中，空穴阻挡层156可包括至少约25wt％(例如至少约30wt％、至少约40wt％或至少约50wt％)和/或最多约80wt％(例如最多约70wt％、最多约60％或最多约50wt％)的交联聚胺。
通常，空穴阻挡层156具有足够大的厚度以致其起到用以制备层156上光敏层160的溶剂的隔离物作用。在一些实施方案中，空穴阻挡层156可具有至少约20nm(例如至少约30nm、至少约40nm或至少约50nm)和/或最多约200nm(例如最多约150nm、最多约100nm、最多约80nm或最多约60nm)的厚度。不希望受到任何理论的限制，据信如果空穴阻挡层156的厚度太小(例如小于约20nm)，则光伏电池100中可发生第一和第二子电池之间的分流，其可造成电池100的电压损耗。不希望受到任何理论的限制，据信如果空穴阻挡层156的厚度太大(例如大于约200nm)，则层156的光吸收可能过高以致光伏电池100中第二子电池可能无法接收足够的入射光以产生具有足够高电压或电流的电。
在一些实施方案中，空穴阻挡层156可具有至少约3.5eV(例如至少约3.6eV、至少约3.8eV或至少约4eV)和/或最多约4.5eV(例如最多约4.4eV、最多约4.2eV或最多约4eV)的功函数。不希望受到任何理论的限制，据信当空穴阻挡层156具有约3.5eV-约4.5eV的功函数时，层156可选择性地传输电子至空穴载流子层152并充分阻挡空穴向空穴载流子层152的传输。
不希望受到任何理论的限制，据信含n型半导体材料并具有相对大厚度(例如约30nm-约60nm)的交联空穴阻挡层156可最小化两个邻近子电池之间的分流同时维持充足的两个邻近子电池之间导电率。因此，由在复合材料中空穴阻挡层形成的串列式光伏电池可具有通常等于子电池总电压之和的电压输出。
在一些实施方案中，空穴阻挡层156可通过将n型半导体材料(例如C61-PCBM)、聚胺(例如聚乙烯亚胺)和交联剂(例如甘油二缩水甘油基醚)溶解或分散于适当的溶剂中以形成组合物(例如分散液或溶液)和随后使用基于液体的涂覆工艺将由此形成的组合物涂覆于光伏电池100中层(例如空穴载流子层152)上来制备。通常，适用于以上工艺的溶剂不溶解在下层(例如空穴载流子层152)中的成分并从而不会不利地影响该层。适当的溶剂的实例包括氯化溶剂(例如三氯乙烯、二氯甲烷、氯乙烯、四氯乙烯)、醚(二乙醚、二甲醚或四氢呋喃)、二甲基甲酰胺、二甲亚砜或其混合物。在一些实施方案中，溶剂可为含氯化溶剂和一种或多种其它溶剂(例如醇例如甲醇、乙醇、丙醇或丁醇)的混合物。在一些实施方案中，在上述组合物中n型半导体材料的量和聚胺和交联剂合并量之间的重量比可为约1:3至约3:1(例如约1:1)。
本文提及的术语“基于液体的涂覆工艺”指的是使用基于液体的涂覆组合物的工艺。基于液体的涂覆组合物的实例可为溶液、分散液或悬浮液。基于液体的涂覆组合物的浓度通常可按需调节。在一些实施方案中，可调节浓度以实现所需的涂覆组合物粘度或所需的涂覆厚度。基于液体的涂覆工艺可通过使用至少一种以下工艺进行：溶液涂覆、喷墨打印、旋涂、浸涂、刀涂、棒涂、喷涂、滚涂、条缝涂覆、凹版涂覆、苯胺印刷术或丝网印刷术。基于液体的涂覆工艺的实例已描述于例如共同所有的共同未决U.S.申请公开号2008-0006324中。
空穴载流子层152通常由在用于光伏电池100中的厚度下将空穴传输至空穴阻挡层156并充分阻挡电子传输至空穴阻挡层156的材料形成。通常，空穴载流子层152可包括p型半导体材料。适当的p型半导体材料的实例包括聚合物和/或金属氧化物。示例性p型半导体聚合物包括聚噻吩(例如聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)或聚(噻吩并[3,4-b]噻吩))、聚苯胺、聚咔唑、聚乙烯基咔唑、聚苯撑、聚苯乙烯撑、聚硅烷、聚亚噻吩基乙烯撑、聚异硫萘及其共聚物。可用于层152中的可商购聚合物的实例包括AirHIL族噻吩聚合物和H.C.Starck族噻吩聚合物。在一些实施方案中，层152也可包括聚合物掺杂剂。例如，掺杂剂可包括聚(苯乙烯-磺酸酯)、聚苯乙烯磺酸或磺酸酯化四氟乙烯。
示例性p型半导体金属氧化物包括氧化镍、氧化钒、氧化钨、氧化钼、氧化铜、氧化锶铜和氧化锶钛。金属氧化物可为未掺杂的或用掺杂剂掺杂。金属氧化物的掺杂剂的实例包括氟化物、氯化物、溴化物和碘化物的盐或酸。在一些实施方案中，层152中的空穴载流子材料可为纳米颗粒的形式。纳米颗粒可具有任意适当的形状例如球形、圆柱形或杆状形状。
在一些实施方案中，空穴载流子层152可包括以上p型半导体材料的组合。例如，空穴载流子层152可包括分散或嵌入聚合物中的金属氧化物纳米颗粒。
通常，空穴载流子层152(即与光敏层140接触的空穴载流子层152表面和与空穴载流子层152接触的空穴阻挡层156表面之间的距离)的厚度可按需变化。通常，空穴载流子层152的厚度为至少0.01微米(例如至少约0.05微米、至少约0.1微米、至少约0.2微米、至少约0.3微米或至少约0.5微米)和/或最多约5微米(例如最多约3微米、最多约2微米或最多约1微米)。在一些实施方案中，空穴载流子层152的厚度为约0.01微米至约0.5微米(例如约0.1微米)。
在一些实施方案中，空穴载流子层152可具有至少约4.8eV(例如至少约5eV、至少约5.2eV或至少约5.4eV)和/或最多约6.5eV(例如最多约6.4eV、最多约6.2eV或最多约6eV)的功函数。不希望受到任何理论的限制，据信当空穴载流子层152具有约4.8eV-约6.5eV的功函数时，层152可选择性地传输空穴至空穴阻挡层156并充分阻挡电子向空穴阻挡层156的传输。
谈到光伏电池100的其它组件，基底110通常由透明材料形成。如本文所指，透明材料是在光伏电池100中所用的厚度下传输至少约60％(例如至少约70％、至少约75％、至少约80％、至少约85％)处于在操作光伏电池期间所用波长或波长范围下的入射光的材料。基底110可由其形成的示例性材料包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二酯、聚合烃、纤维素聚合物、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚和聚醚酮。在某些实施方案中，聚合物可为氟化聚合物。在一些实施方案中，使用聚合材料的组合。在某些实施方案中，基底110的不同区域可由不同材料形成。
通常，基底110可为柔性的、半刚性的或刚性的(例如玻璃)。在某些实施方案中，基底110具有小于约5000兆帕(例如小于约1000兆帕或小于约500兆帕)的弯曲模量。在某些实施方案中，基底110的不同区域可为柔性的、半刚性的或硬性的(例如一个或多个区域柔性而一个或多个不同区域半刚性，一个或多个区域柔性而一个或多个不同区域硬性)。
通常，基底110为至少约1微米(例如至少约5微米或至少约10微米)厚和/或最多约1000微米(例如最多约500微米厚、最多约300微米厚、最多约200微米厚、最多约100微米或最多约50微米)厚。
通常，基底110可为有色的或无色的。在一些实施方案中，基底110的一个或多个部分为有色的而基底110的一个或多个不同部分为无色的。
基底110可具有一个平坦表面(例如光撞击于其上的表面)、两个平坦表面(例如光撞击于其上的表面和相反表面)或无平坦表面。基底110的非平坦表面可例如为弯曲的或梯状的。在一些实施方案中，基底110的非平坦表面为图案化的(例如具有图案化步骤以形成Fresnel透镜、双凸透镜或光栅棱镜)。
电极120通常由导电材料形成。示例性导电材料包括导电金属、导电合金、导电聚合物和导电金属氧化物。示例性导电金属包括金、银、铜、铝、镍、钯、铂和钛。示例性导电合金包括不锈钢(例如332不锈钢、316不锈钢)、金合金、银合金、铜合金、铝合金、镍合金、钯合金、铂合金和钛合金。示例性导电聚合物包括聚噻吩(例如掺杂的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(掺杂的PEDOT))、聚苯胺(例如掺杂的聚苯胺)、聚吡咯(例如掺杂的聚吡咯)。示例性导电金属氧化物包括氧化铟锡、氟化氧化锡、氧化锡和氧化锌。在一些实施方案中，使用导电材料的组合。
在一些实施方案中，电极120可包括网状电极。网状电极的实例描述于共同未决U.S.专利申请公开号20040187911和20060090791中。
在一些实施方案中，如上所述材料的组合可用以形成电极120。
任选地，光伏电池100可包括空穴阻挡层130。空穴阻挡层130通常由在用于光伏电池100中的厚度下将电子传输至电极120并充分阻挡空穴传输至电极120的材料形成。空穴阻挡层130可由与用以形成空穴阻挡层156材料不同的材料或与用以形成空穴阻挡层156材料相同的材料形成。可形成空穴阻挡层130的材料实例包括LiF、金属氧化物(例如氧化锌、氧化钛)和胺(例如伯胺、仲胺、叔胺或聚胺)。适用于空穴阻挡层的胺的实例已描述于例如共同未决U.S.申请公开号2008-0264488中。在一些实施方案中，空穴阻挡层130可由用以制备空穴阻挡层156的相同材料形成，除了层130不包括n型半导体材料(例如C61-PCBM)之外。
不希望受到任何理论的限制，据信当光伏电池100包括由胺制得的空穴阻挡层时，空穴阻挡层可促进两个邻近层(例如光敏层140和电极120)之间欧姆接触的形成而不暴露于UV光，从而减少由于UV暴露而对光伏电池100的破坏。
通常，空穴阻挡层130为至少约1nm(例如至少约2nm、至少约5nm、至少约10nm、至少约20nm、至少约30nm或至少约40nm)厚和/或最多约50nm(例如最多约40nm、最多约30nm、最多约20nm、最多约10nm、最多约5nm或最多约2nm)厚。
在一些实施方案中，光敏层140和160的每一个可含有电子受体材料(例如有机电子受体材料)和电子给体材料(例如有机电子给体材料)。
电子受体材料的实例包括富勒烯、无机纳米颗粒、二唑、盘状液晶、碳纳米棒、无机纳米棒、含能够接电子受体子或形成稳定阴离子的基团的聚合物(例如含CN基团的聚合物或含CF3基团的聚合物)及其组合。在一些实施方案中，电子受体材料为取代的富勒烯(例如PCBM)。在一些实施方案中，可在光敏层140或160中使用电子受体材料的组合。
电子给体材料的实例包括共轭聚合物例如聚噻吩、聚苯胺、聚咔唑、聚乙烯基咔唑、聚苯撑、聚苯乙烯撑、聚硅烷、聚亚噻吩基乙烯撑、聚异硫萘、聚环戊二烯并二噻吩、聚硅环戊并二噻吩、聚环戊二烯并二噻唑、聚噻唑并噻唑、聚噻唑、聚苯并噻二唑、聚(噻吩氧化物)、聚(环戊二烯并二噻吩氧化物)、聚噻二唑并喹喔啉、聚苯并异噻唑、聚苯并噻唑、聚噻吩并噻吩、聚(噻吩并噻吩氧化物)、聚二噻吩并噻吩、聚(二噻吩并噻吩氧化物)、聚四氢异吲哚、聚苯并二噻吩、聚(吡咯并吡咯二酮)及其共聚物。在一些实施方案中，电子给体材料可为聚噻吩(例如聚(3-己基噻吩))、聚环戊二烯并二噻吩及其共聚物。在某些实施方案中，可在光敏层140或160中使用电子给体材料的组合。
其它适用于光敏层140或160中的光敏聚合物实例已描述于，例如，U.S.专利号8,058,550、7,781,673和7,772,485，WO 2011/085004、PCT/US2012/035254和U.S.申请公开号2010-0224252、2010-0032018、2008-0121281、2008-0087324和2007-0020526中。
在一些实施方案中，光敏层140可包括与在光敏层160中的那些相同的电子给体和受体材料。在某些实施方案中，光敏层140可包括不同于光敏层160中电子给体或受体材料的电子给体或受体材料。
任选地，光伏电池100可包括空穴载流子层170。空穴载流子层170通常由在用于光伏电池100中的厚度下将空穴传输至电极180并充分阻挡电子传输至电极180的材料形成。通常，空穴载流子层170可由p型半导体材料例如上述关于空穴载流子层152所描述的p型半导体材料之一制成。在一些实施方案中，空穴载流子层170由p型半导体材料的组合形成。在一些实施方案中，空穴载流子层170可具有与空穴载流子层152的那些基本上相同的特性或性质。在一些实施方案中，空穴载流子层170可由不同于空穴载流子层152中所用的p型半导体材料制成。
电极180通常由导电材料形成，例如一种或多种上述关于电极120所描述的导电材料。在一些实施方案中，电极180由导电材料的组合形成。在某些实施方案中，电极180可由网状电极形成。在一些实施方案中，电极120和180的每一个可由本文所述的网状电极形成。
基底190可与基底110相同或不同。在一些实施方案中，基底190可由一种或多种适当的聚合物例如上述所述基底110中所用的聚合物形成。基底190可通过本领域已知的方法放置于电极180之上(例如通过使用粘结剂粘至电极180)。
在一些实施方案中，串列式电池可包括多于两个子电池(例如三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个子电池)。在某些实施方案中，一些子电池可为串联电连接的而一些子电池可为并联电连接的。
通常，制备图1所述光伏电池中每个层(例如层120-180)的方法可按需变化。在一些实施方案中，一个或多个层(例如光伏电池100中每个层)可通过基于液体的涂覆工艺制备。在一些实施方案中，一个或多个层可经由基于气相的涂覆工艺例如化学或物理气相沉积法来制备。
在一些实施方案中，当层包括无机半导体纳米颗粒时，基于液体的涂覆工艺可通过以下进行：(1)使纳米颗粒与溶剂(例如水性溶剂或无水醇)混合以形成分散液，(2)将分散液涂覆于基底上和(3)干燥涂覆的分散液。在某些实施方案中，用于制备含无机金属氧化物纳米颗粒的层的基于液体的涂覆工艺可通过以下进行：(1)将前体(例如钛盐)分散于适当的溶剂(例如无水醇)中以形成分散液，(2)将该分散液涂覆于基底上，(3)水解该分散液以形成无机半导体纳米颗粒层(例如氧化钛纳米颗粒层)和(4)干燥无机半导体材料层。在某些实施方案中，该基于液体的涂覆工艺可通过溶胶-凝胶法(例如通过在将该分散液涂覆于基底上之前，在分散液中形成金属氧化物纳米颗粒作为溶胶-凝胶)进行。
通常，用以制备含有机半导体材料的层的基于液体的涂覆工艺可与用以制备含无机半导体材料的层的工艺相同或不同。在一些实施方案中，为了制备包括有机半导体材料的层，基于液体的涂覆工艺可通过以下进行：使有机半导体材料与溶剂(例如有机溶剂)混合以形成溶液或分散液，将该溶液或分散液涂覆于基底上和干燥该涂覆的溶液或分散液。
在一些实施方案中，光伏电池100可通过包括以下的方法制备：(1)将含n型半导体材料、聚胺和交联剂的组合物(例如溶液或分散液)施用于基底(例如基底110)上以形成通过基底支撑的层；和(2)加热层以交联聚胺的至少一些分子，从而形成第一空穴阻挡层(例如层156)。在该实施方案中，方法可进一步包括在将组合物施用于基底之前，将第一电极(例如电极120)、第一光敏层(例如层140)和第一空穴载流子层(例如层152)相继放置于基底(例如基底110)上。另外，方法可进一步包括将第二光敏层(例如层160)和第二电极(例如电极180)相继放置于第一空穴阻挡层(例如层156)上。在一些实施方案中，方法可进一步包括在放置第一光敏层(例如层140)之前，将第二空穴阻挡层(例如层130)放置于第一电极(例如电极120)上。在一些实施方案中，方法可进一步包括在放置第二电极(例如电极180)之前，将第二空穴载流子层(例如层170)放置于第二光敏层(例如层160)上。在一些实施方案中，上述各个放置步骤可经由基于液体的涂覆工艺进行。
在一些实施方案中，图1所述串列式光伏电池可以连续制造工艺(例如辊到辊工艺)制备，从而显著地降低制造成本。辊到辊工艺的实例已描述于例如共同所有的U.S.专利号8,129,616和7,476,278中。
尽管某些实施方案已被公开，但其它实施方案也是可能的。
在一些实施方案中，光伏电池100包括作为底电极的阴极和作为顶电极的阳极。在一些实施方案中，光伏电池100可包括作为底电极的阳极和作为顶电极的阴极。
在一些实施方案中，光伏电池100可包括图1所示相反顺序的层。换句话说，光伏电池100可包括自底至顶以以下顺序的这些层：基底190、电极180、可选的空穴载流子层170、光敏层160、空穴阻挡层156、空穴载流子层152、光敏层140、可选的空穴阻挡层130、电极120和基底110。
在一些实施方案中，基底110和190之一可为透明的。在其它实施方案中，基底110和190二者可为透明的。
在一些实施方案中，多个光伏电池可电连接以形成光伏系统。作为实例，图2为具有含多个光伏电池220(例如串列式光伏电池)的模块210的光伏系统200示意图。电池220串联电连接而系统200电连接至负载230。作为另一个实例，图3为具有含多个光伏电池320(例如串列式光伏电池)的模块310的光伏系统300示意图。电池320并联电连接而系统300电连接至负载330。在一些实施方案中，在光伏系统中的一些(例如全部)光伏电池(例如串列式光伏电池)可放置于一个或多个共同基底上。在某些实施方案中，在光伏系统中的一些光伏电池(例如串列式光伏电池)为串联电连接的，而在光伏系统中的一些光伏电池(例如串列式光伏电池)为并联电连接的。
在一些实施方案中，复合材料150可用于除以上图1所述的以外的串列式光伏电池。串列式光伏电池的其它实例已描述于例如共同所有的共同未决U.S.申请公开号2009-0211633、2007-0272296、2007-0181179和2007-0246094中。
尽管已描述了有机串列式光伏电池，但其它光伏电池也可与本文所述复合材料150整合。这样的串列式光伏电池的实例包括其中一个或多个子电池为染料敏化光伏电池和/或具有光敏材料的无机光敏电池的那些，所述光敏材料由无定形硅、硒化镉、碲化镉、硒化铜铟和硒化铜铟镓形成。
尽管以上已描述了光伏电池，但在某些实施方案中，本文所述复合材料150可用于其它装置和系统中。例如，复合材料150可用于适当的有机半导体装置中，例如场效应晶体管、光电探测器(例如IR探测器)、光伏探测器、成像装置(例如用于照相机或医学成像系统的RGB成像装置)、发光二极管(LED)(例如有机LED(OLED)或IR或近IR LED)、激光装置、变换层(例如将可见发射转换为IR发射的层)、用于电讯的扩音器和发射器(例如用于纤维的掺杂剂)、存储元件(例如全息存储元件)和电致变色装置(例如电致变色显示器)。
本文引用的全部出版物(例如，专利、专利申请公开和文章)的内容以其全部内容引入作为参考。
以下实施例是说明性的并不意在限制。
实施例1：具有互连层、带或不带PCBM的串列式光伏电池的制造
使用以下所述工序制备两套串列式光伏电池。
第一套的四个串列式光伏电池制备如下：将透明传导氧化物(TCO)涂覆的塑料基底图案化以形成底电极并随后在异丙醇中超声5分钟。使用1wt％溶胶-凝胶TiO2(叔丁醇钛在丁醇中的溶液)或0.5wt％聚乙烯亚胺(PEI)和0.5wt％甘油二缩水甘油基醚DEG(在丁醇中，重量比为1:1)，将薄空穴阻挡层涂覆于清洁的基底上。空穴阻挡层的通常厚度为约10nm。由此形成的基底于100℃下退火2分钟。将包括重量比为1:2的聚(吡咯并吡咯二酮)共聚物(可得自Ciba Specialty Chemicals，巴塞尔，瑞士；以下称为“Ciba”)和C61-PCBM的第一光敏层沉积于空穴阻挡层上且控制其厚度以实现约0.4-0.5的光吸收。使用刮涂技术将含HIL噻吩聚合物(Air Products和Chemicals,Inc.,Allentown,PA)的100nm厚空穴载流子层沉积于第一光敏层上并在环境条件下干燥几分钟。通过将含1wt％C61-PCBM、0.5wt％PEI和0.5wt％DEG的1/9丁醇/二氯乙烯溶液施用于空穴载流子层之上来形成30nm厚空穴阻挡层。该空穴阻挡层通过于140℃下退火10分钟交联。然后通过将含1:1P3HT/PCBM的邻二氯苯溶液施用于交联的空穴阻挡层之上来形成第二光敏层，随后沉积50nm含以上所述HIL噻吩聚合物的另一个空穴载流子层。随后通过作为顶电极将银层(80nm)蒸发于空穴载流子层之上来形成双结串列式电池(即具有两个子电池)。
使用前段所述步骤制造第二套的四个串列式光伏电池，除了交联空穴阻挡层用自含0.5wt％PEI和0.5wt％DEG的正丁醇溶液形成的20nm交联空穴阻挡层替代。第二套串列式光伏电池用作对照。
在AM 1.5条件下，使用太阳模拟器测量由此形成的串列式光伏电池的性能。结果总结于表1。
如表1所示，第一套串列式电池(其包括含C61-PCBM的互连空穴阻挡层)展示出超过1.0V的开路Voc，其通常等于两个子电池的电压之和(即含Ciba的子电池约0.6V和含P3HT的子电池约0.54V)。另一方面，第二套串列式光伏电池(其包括不带有C61-PCBM的互连空穴阻挡层)展示出小于0.5V的Voc，即小于每个子电池的Voc。另外，第一套串列式电池展示出比第二套串列式电池显著更高的效率。
表1
实施例2：带有不同光敏聚合物的串列式光伏电池的制造
以与实施例1所述第一套串列式光伏电池相同的方式制备第三套的7个串列式光伏电池，除了第一光敏层含有重量比为1:2的聚苯并二噻吩共聚物(可得自PolyeraCorporation,Skokie,IL；以下称为“OPV6”)和C61-PCBM，和第二光敏层含有重量比为1:2的聚噻唑并噻唑共聚物KP143(可得自Konarka Technologies,Inc.,Lowell,MA)和C61-PCBM之外。
在AM 1.5条件下，使用太阳模拟器测量第三套串列式光伏电池的性能。结果总结于下表2。
表2
如表2所示，全部7个串列式光伏电池展示出高Voc和效率。特别地，7个串列式光伏电池的每一个展示出通常等于在串列式电池中两个子电池Voc值之和的Voc(即含OPV6的子电池约0.66V和含KP143的子电池约0.78V)。
实施例3：具有两个、三个、四个和五个子电池的串列式光伏电池的制造
如下制备含两个子电池、三个子电池、四个子电池和五个子电池的第四套串列式光伏电池：
以与实施例1所述第一套串列式电池相同的方式制备含两个子电池的串列式电池，除了第一光敏层通过使用重量比为1:2的OPV6和C61-PCBM的在二氯苯(ODCB)中1wt％的溶液、以5mm/sec的刮刀速度于65℃下形成，和第二光敏层通过使用重量比为1:2的OPV6和C61-PCBM的在ODCB中1wt％的溶液、以7.5mm/sec的刮刀速度于65℃下形成之外。
以与前段所述相同的方式制备含三个子电池的串列式电池，除了在形成银顶电极之前，相继形成交联空穴阻挡层、第三光敏层和空穴载流子层之外。交联空穴阻挡层和空穴载流子层以与实施例1所述第一套串列式电池中相同的方式形成。第三光敏层通过使用重量比为1:2的OPV6和C61-PCBM的在ODCB中1wt％的溶液、以10mm/sec的刮刀速度于65℃下形成。
以与前段所述相同的方式制备含四个子电池的串列式电池，除了在形成银顶电极之前，相继形成交联空穴阻挡层、第四光敏层和空穴载流子层之外。交联空穴阻挡层和空穴载流子层以与实施例1所述第一套串列式电池中相同的方式形成。第四光敏层通过使用重量比为1:2的OPV6和C61-PCBM的在ODCB中1wt％的溶液、以15mm/sec的刮刀速度于65℃下形成。
以与前段所述相同的方式制备含五个子电池的串列式电池，除了在形成银顶电极之前，相继形成交联空穴阻挡层、第五光敏层和空穴载流子层之外。交联空穴阻挡层和空穴载流子层以与实施例1所述第一套串列式电池中相同的方式形成。第五光敏层通过使用重量比为1:2的OPV6和C61-PCBM的在ODCB中1wt％的溶液、以30mm/sec的刮刀速度于65℃下形成。
在AM 1.5条件下，使用太阳模拟器测量以上形成的光伏电池的性能。结果总结于表3。表3中所列的值为基于5个电池测量的平均结果。
表3
如表3所示，以上形成的含两个、三个、四个和五个子电池的串列式光伏电池分别展示出通常等于子电池Voc总和的Voc值(即每个子电池0.65V)。
实施例4：串列式光伏电池的稳定性
使用专有塑料包装技术将以与实施例1所示第一套串列式光伏电池相同的方式制备的一套串列式光伏电池包装，所述技术由Konarka Technologies,Inc研发。在光照射条件(使用AM 1.5条件)和湿热老化条件(65℃和85％相对湿度)下，使用加速老化方法来测试包装的电池。
以上测试的结果示于图4A、4B、5A和5B。如这些附图所示，以上制备的串列式电池在光照射条件和湿热老化条件下展示出显著的稳定性。
实施例5：含薄和厚互连空穴阻挡层的串列式光伏电池稳定性的对比
以与实施例1所述第一套串列式光伏电池相同的方式制备8个串列式光伏电池，除了串列式电池(1)-(4)包括含C61-PCBM/PEI/DEG并具有15nm厚度的互连空穴阻挡层且串列式电池(5)-(8)包括含C61-PCBM/PEI/DEG并具有60nm厚度的互连空穴阻挡层之外。在这些串列式电池的每一个中，第一光敏层含有OPV6/C61-PCBM而第二光敏层含有P3HT/C61-PCBM。使用专有塑料包装技术将电池包装，所述技术由Konarka Technologies,Inc研发。在湿热老化条件(65℃和85％相对湿度)下测试包装的电池120小时。结果总结于表4。
表4
如表4所示，在以上湿热老化过程之后，串列式电池(1)-(4)(其含有厚度为15nm的互连空穴阻挡层)展示出Voc、Jsc和填充因数的显著降低。相比而言，在以上湿热老化过程之后，串列式电池(5)-(8)(其含有厚度为60nm的互连空穴阻挡层)基本上维持相同的Voc、Jsc和填充因数。
实施例6：使用辊到辊工艺制造含10个串联互连串列式电池的串列式光伏模块
以与实施例1中制备的串列式电池相似的方式以连续辊到辊工艺制备串列式光伏模块，除了光伏组件含有10个串联互连串列式电池，其每个包括两个子电池之外。使用实施例1所述工序沉积除银顶电极之外的全部层。使用纳米基于银的墨水，作为顶电极来沉积印刷的银层。全部邻近的串列式电池串联互连于辊到辊涂覆物上。
结果显示由此形成的串列式光伏模块展示出10.55V的Voc、3.13mA/cm2的Jsc、55.6％的填充因数和1.84％的效率。特别地，串列式光伏模块的Voc通常等于每个串列式电池Voc(即约1.1V)的总和，这暗示了10个串列式电池以串联互连，具有最小的电压损耗。
其它实施方案处于以下权利要求的范围之内。

Claims (30)

1.用于制造成形为串列式光伏系统的系统的方法，包括：
将包含n型半导体材料、聚胺和交联剂的组合物放置于基底上以形成通过基底支撑的层；
加热所述层以交联所述聚胺的至少一些分子，从而形成第一空穴阻挡层；
进一步包括在将组合物施用于基底之前，将第一电极、第一光敏层和第一空穴载流子层相继放置于基底上；和
进一步包括将第二光敏层和第二电极相继放置于所述第一空穴阻挡层上；
其中各个放置步骤经由基于液体的涂覆工艺进行，和
其中适用于沉积组合物的溶剂不溶解第一空穴阻挡层的成分。
2.权利要求1的方法，其中所述n型半导体材料包含富勒烯。
3.权利要求2的方法，其中所述富勒烯为取代的富勒烯。
4.权利要求3的方法，其中所述取代的富勒烯为C61-PCBM或C71-PCBM。
5.权利要求1的方法，其中所述聚胺为聚乙烯亚胺或其共聚物。
6.权利要求1的方法，其中所述聚胺的至少一些分子通过交联剂交联。
7.权利要求6的方法，其中所述交联剂包含含环氧基的化合物。
8.权利要求1的方法，其中所述交联剂包含甘油丙氧基三缩水甘油基醚或甘油二缩水甘油基醚。
9.权利要求1的方法，其中所述第一空穴阻挡层具有20nm-200nm的厚度。
10.权利要求1的方法，其中所述第一空穴阻挡层具有30nm-60nm的厚度。
11.权利要求1的方法，其中所述第一空穴阻挡层具有3.5eV-4.5eV的功函数。
12.权利要求1的方法，其中所述第一空穴载流子层包含p型半导体材料。
13.权利要求12的方法，其中所述p型半导体材料包含聚合物。
14.权利要求13的方法，其中所述聚合物选自聚噻吩、聚苯胺、聚咔唑、聚乙烯基咔唑、聚苯撑、聚苯乙烯撑、聚硅烷、聚亚噻吩基乙烯撑、聚异硫萘及其共聚物。
15.权利要求14的方法，其中所述聚合物包含聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)或聚(噻吩并[3,4-b]噻吩)。
16.权利要求12的方法，其中所述p型半导体材料包含金属氧化物。
17.权利要求16的方法，其中所述金属氧化物包含选自氧化镍、氧化钒、氧化钨、氧化钼、氧化铜、氧化锶铜和氧化锶钛的氧化物。
18.权利要求12的方法，其中所述p型半导体材料包含分散于聚合物中的金属氧化物。
19.权利要求1的方法，其中所述第一空穴载流子层具有4.8eV-6.5eV的功函数。
20.权利要求1的方法，进一步包含所述第一电极和所述第一光敏层之间的第二空穴阻挡层，其中所述第一光敏层位于所述第二空穴阻挡层和所述第一空穴载流子层之间。
21.权利要求20的方法，其中所述第二空穴阻挡层由与用以制成所述第一空穴阻挡层的材料不同的材料制成。
22.权利要求20的方法，其中所述第二空穴阻挡层包含LiF、金属氧化物或胺。
23.权利要求1的方法，进一步包含所述第二电极和所述第二光敏层之间的第二空穴载流子层，其中所述第二光敏层位于所述第一空穴阻挡层和所述第二空穴载流子层之间。
24.权利要求23的方法，其中所述第二空穴载流子层包含选自聚噻吩、聚苯胺、聚咔唑、聚乙烯基咔唑、聚苯撑、聚苯乙烯撑、聚硅烷、聚亚噻吩基乙烯撑、聚异硫萘的聚合物及其共聚物或混合物。
25.权利要求1的方法，进一步包括在放置所述第一光敏层之前，将第二空穴阻挡层放置于所述第一电极上。
26.权利要求25的方法，进一步包括在放置所述第二电极之前，将第二空穴载流子层放置于所述第二光敏层上。
27.根据权利要求1至26中任一项所述方法制造的成形为串列式光伏系统的系统，包含：
第一和第二电极；
所述第一和第二电极之间的第一和第二光敏层；和
所述第一和第二光敏层之间的复合材料，所述复合材料包含含有n型半导体材料和聚胺的第一层；
其中所述系统成形为光伏系统。
28.权利要求27的系统，其中所述聚胺的至少一些分子是交联的。
29.权利要求27的系统，其中所述聚胺的至少一些分子通过交联剂交联。
30.权利要求27的系统，其中所述复合材料进一步包含含有p型半导体材料的第二层。
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