CN105210203A - 热电装置和制品及其应用 - Google Patents

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CN105210203A CN201480028036.9A CN201480028036A CN105210203A CN 105210203 A CN105210203 A CN 105210203A CN 201480028036 A CN201480028036 A CN 201480028036A CN 105210203 A CN105210203 A CN 105210203A
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Abstract

在一个方面中，本文描述了热电装置和制品及其热电装置和制品的各种应用。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置包含至少一个偶联至少一个n-型层的p-型层以提供pn结，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括碳纳米颗粒而n-型层包括n-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层的纳米颗粒和/或n-型层的纳米颗粒设置于包括电极化聚合物的聚合物基质之中。在一些实施方式中，热电制品包含热绝缘载体和由围绕或穿过热绝缘载体的结构形成的热电模块以在热绝缘载体的相对两侧面提供热电模块的表面。

Description

热电装置和制品及其应用
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2013年3月14日提交的美国临时专利申请序列号No.61/783,709和2013年4月4日提交的美国临时专利申请序列号No.61/808,472依据35U.S.C.§119(e)的优先权，其全部内容通过引用结合于本文中。
技术领域
本发明涉及热电材料并，具体而言，涉及装置、制品、和引入热电材料的织物。
背景技术
热能广泛应用于发电。然而，通过现有方法将热能转换成电能的效率却较低，范围为约30％～40％。因此，显著大量的热能作为废物逃逸到环境中。据估计，年度全球生产的电力约15太瓦的能量损失至环境中。
热电材料能够操作用于捕获热量而另外增加电力生产。热电效率通过优值系数(FigureofMerit)、ZT量化。
表现出较高的ZT值的热电材料具有较高的热电效率。制作具有合理ZT值的热电材料往往是很困难的和/或昂贵的。铋的硫族元素化合物，例如，能够提供具有范围为0.7～1的ZT值的卓越热电性能。这些材料能够进行纳米结构化而产生交替Bi2Te3和Bi2Se3层的超晶格结构，导致产生具有可接受电导率和较差导热性的材料。这些材料的制作，不过，可能是费时和昂贵的。
此外，由于制作要求和其他材料容差，许多热电材料并不会使其自身轻易并入广泛的各类器件中进行集热发电。
发明内容
在一个方面中，本文描述了一种热电装置，其在一些实施方式中能够克服或减轻一个或多个当前热电材料的缺点。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置包括至少一个偶联至至少一个n-型层而提供pn结的p-型层，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括碳纳米颗粒而n-型层包括n-掺杂碳纳米颗粒。p-型层的碳纳米颗粒能够是p-掺杂的。p-型层的纳米颗粒和/或n-型层的纳米颗粒能够设置于包括电极化聚合物的聚合物基质中。另外，绝缘层能够包括表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒，如钛酸钡(BaTiO3)颗粒，碲化铋颗粒(BiTe)，其它无机颗粒或其混合物。
本文中所述装置的电极化聚合物和/或压电颗粒能够包括非随机取向的电偶极和/或电偶极域。而且，电极化聚合物和/或颗粒也能够表现出平行或基本平行于热电装置中电流流动的轴线取向的电偶极场以及表现出压电/热电行为。本文中描述的电极化组分的压电和/或热电性质(piezoelectric/pyroelectricproperties)能够容许热电装置掺入这种组分而提供除了由暴露于热梯度所产生的电输出之外还由于机械变形所产生的电输出。
在一些实施方式中，本文中描述的热电装置包含偶联至多个n-型层而提供多个pn结的多个p-型层，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层，其中至少一个p-型层包含碳纳米颗粒而至少一个n-型层包含n-掺杂碳纳米颗粒。热电装置的p-型层、n-型层和/或绝缘层能够包含电极化聚合物。另外，p-型层和n-型层能够设置成堆叠构造，绝缘层处于这二者之间。
正如本文中进一步所述，pn结能够形成于p-型层和n-型层的界面上。在一些实施方式中，界面过渡区存在于通过p-型层接触n-型层而形成的pn结上。界面过渡区包含混有n-型层的纳米颗粒的p-型层的纳米颗粒。p-型和n-型层的纳米颗粒的混合能够提供异质结构的pn结。另外，金属中间层能够设置于pn结的p-型层和n-型层之间。另外，本文中描述的装置的pn结能够起到与本文中描述的电极化的聚合物基质的压电和/或热电行为相关的电压输出的整流器(rectifier)作用。
在本文中描述的热电装置的一些实施方式中，包含p-掺杂的和n-掺杂的碳纳米管的碳纳米颗粒能够用一种或多种无机半导体纳米颗粒代替。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒包括IV族材料，II/VI族材料或III/V族材料或其组合。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒包括量子点(quantumdot)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任何本文中描述的碳纳米颗粒一致的尺寸。
在另一方面中，本文中描述的光热装置包括光伏部件和热电部件，热电部件包括至少一个偶联至至少一个n-型层而提供pn结的p-型层，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括碳纳米颗粒而n-型层包括n-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层的纳米颗粒和/或n-型层的纳米颗粒设置于包括电极化聚合物的聚合物基质之中。另外，绝缘层能够包括表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒。
而且，在一些实施方式中，热电部件包含多个偶联至多个n-型层而提供多个pn结的p-型层，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层。正如本文中所述，pn结能够包括由混有n-型层的纳米颗粒的p-型层的纳米颗粒形成的异质界面过渡区。另外，金属中间层能够设置于pn结的p-型和n-型层之间。
光热装置能够进一步包括位于光伏部件和热电部件之间的斯托克斯迁移层(Stokesshiftlayer)。斯托克斯迁移层包含一种或多种可用于产生向热电部件的毗邻侧面传输的热能的斯托克斯迁移化学物质。在一些实施方式中，斯托克斯迁移化学物质吸收穿过光伏部件的电磁辐射。
另外，在一些实施方式中，通过一种或多种斯托克斯迁移化学物质发射的辐射被光伏部件吸收。
在另一方面中，本文中描述了制作热电装置的方法。在一些实施方式中，制作热电装置的方法包括：提供至少一层包括设置于第一聚合物基质中的碳纳米颗粒的p-型层，提供至少一层包括设置于第二聚合物基质中的n-掺杂碳纳米颗粒的n-型层，将绝缘层布置于p-型层和n-型层之间，和将p-型层和n-型层偶联而提供pn结。第一聚合物基质和/或第二聚合物基质能够进行电极化而在第一和/或第二聚合物基质中提供至少部分对齐排列的偶极域。另外，绝缘层能够进行电极化而在绝缘层中提供至少部分对齐排列的偶极域。绝缘层的偶极域能够包括表现出压电行为的结晶或半结晶域的聚合物材料和/或离散颗粒，如BaTiO3颗粒。极化作用能够包括沿着p-型层和/或n-型层的长度压装一种或多种相互交错的阵列和向阵列施加极化电压。p-型层和n-型层偶联而提供pn结，能够在p-型和n-型层的界面上形成异质界面过渡区。此外，金属中间层能够位于结位置上的p-型和n-型层之间。
在本文中描述的方法的一些实施方式中，提供并相互偶联多个p-型层和n-型层而导致形成多个pn结。在一些实施方式中，绝缘层位于p-型层而n-型层之间，其中p-型层和n-型层为堆叠构造。堆叠的p-型层、n-型层和/或绝缘层的聚合物能够包括电极化聚合物或电极化压电颗粒。
在另一方面中，本文描述了制作光热装置的方法。在一些实施方式中，制作光热装置的方法包括提供光伏部件，提供热电部件并偶联光伏部件和热电部件，热电部件包括至少一个偶联至至少一个n-型层而提供pn结的p-型层，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括碳纳米颗粒而n-型层包括n-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，热电部件包含多个偶联至多个n-型层而提供多个正如本文中所述的pn结的p-型层。
在一些实施方式中，制作光热装置的方法进一步包括将斯托克斯迁移层置于光伏部件和热电部件之间。
在另一方面中，本文中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伏部件和偶联至光伏部件的热电部件的装置，热电部件包括至少一个偶联至至少一个n-型层而提供pn结的p-型层，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括碳纳米颗粒而n-型层包括n-掺杂碳纳米颗粒。电磁辐射被光伏部件吸收而提供光电流并加热热电部件的一个侧面，引发横跨热电部件的电压。而且，在一些实施方式中，热电部件的至少一个p-型层的纳米颗粒和/或至少一个n-型层的纳米颗粒设置于电极化聚合物基质之中。另外，热电部件的绝缘层能够包括电极化聚合物和/或电极化压电颗粒。
在一些实施方式中，加热热电部件的一个侧面包括将光伏部件中产生的热量传递至热电部件的一个侧面。另外，在一些实施方式中，加热热电部件的一个侧面包括在光伏部件和热电部件之间提供斯托克斯迁移层，采用斯托克斯迁移层吸收电磁辐射而产生热量和电磁辐射并将所产生的热量传递至热电部件的一个侧面。在一些实施方式中，通过斯托克斯迁移层产生的电磁辐射传播给光伏部件而产生光电流。
在还有的另一方面中，本文中描述的热电制品，在一些实施方式中，能够克服或减轻当前热电制品的一个或多个缺点。例如，在一些实施方式中，本文中描述的制品能够用于有效地将热能转化成电能，包括在制品设置于非平面表面或复杂几何形状的表面上时。在一些实施方式中，本文中描述的热电制品能够用作或引入到服装制品中。本文中描述的制品能够也能够用作电子器件如移动电话或平板设备的外壳。而且，在一些实施方式中，本文中描述的制品能够按照适形或基本适形的方式设置于人用户的皮肤或电子器件的表面上或与之接触而使热电制品能够由通过人体或电子器件产生的过量热量产生电能。
在一些实施方式中，本文中描述的制品包含热绝缘载体和热电模块，热电模块由围绕或穿过热绝缘载体而在热绝缘载体的相对两侧面上提供热电模块的外面(face)的结构形成。在一些实施方式中，热电模块的结构是连续的。连续的结构能够是导电性的。而且，连续的结构可以包括偶联至n-型层而形成pn结的p-型层，其中绝缘层部分设置于p-型层和n-型层之间。另外，在一些实施方式中，在热电模块的外面上的p-型层和n-型层基本平行于热绝缘载体的相对两侧面。另外，围绕或穿过绝缘载体的热电模块的一段连续结构能够基本正交于热电模块的至少一个外面。
本文中描述的热电模块结构的p-型层能够包括碳纳米颗粒，而同时结构的n-型层包括n-掺杂碳纳米颗粒。而且，p-型层的碳纳米颗粒能够是p-掺杂的。p-型层的纳米颗粒和/或n-型层的纳米颗粒也能够设置于电极化聚合物的聚合物基质中。另外，本文中描述的热电模块结构的绝缘层能够包括表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒，如钛酸钡(BaTiO3)颗粒，碲化铋颗粒(BiTe)，其它无机颗粒或其混合物。
本文中描述的结构的电极化聚合物和/或压电颗粒能够包括非随机取向的电偶极和/或电偶极域。电极化聚合物和/或颗粒也能够表现出平行或基本平行于在热电模块的电流流动的轴线向取向的电偶极场以及表现出压电/热电行为。本文中描述的电极化组分的压电和/或热电性质能够容许制品引入到这种组分而提供除了由暴露于热梯度所产生的电输出之外还由机械变形产生的电输出。
在另一方面中，本文中描述了热电织物。在一些实施方式中，本文中描述的织物包含本文中以上描述的热电制品，其中制品的热绝缘载体包含织物的一种或多种纤维。例如，在一些实施方式中，本文中描述的织物包含一种或多种热绝缘纤维和由围绕或穿过热绝缘纤维而在热绝缘纤维的相对两侧面上提供热电模块的外面的结构形成的热电模块。
在还有的另一方面中，本文中描述了制作制品的方法。在一些实施方式中，制作制品的方法包括提供热绝缘载体并将热电模块的结构围绕或穿过热绝缘载体而在热绝缘载体的相对两侧面上提供热电模块的外面。在一些实施方式中，热电模块的结构是连续的。而且，连续的热电模块结构包含偶联至n-型层而形成pn结的p-型层，其中绝缘层部分设置于p-型层和n-型层之间。另外，在热电模块的外面上的p-型层和n-型层能够基本平行于热绝缘载体的相对两侧面。而且，热绝缘载体能够是织物的一种或多种纤维。
而且，将热电模块的结构围绕或穿过热绝缘载体能够进一步包括提供基本正交于热电模块的至少一个外面的一段热电结构。另外，在一些实施方式中，制品的热电模块能够并行连接(并联)。
在另一方面中，本文中描述了产生电能的方法。在一些实施方式中，将热能转化成电能的方法包括提供包括热绝缘载体和热电模块的制品，热电模块由围绕或穿过热绝缘载体而在热绝缘载体的相对两侧面上提供热电模块的外面的结构形成。热能通过热电模块吸收而引发横跨热电模块的电压。另外，制品的热电模块，在一些实施方式中，表现出压电/热电性质而使得响应制品上的机械波动或应力产生电能。
这些和其它实施方式在以下的详细描述中更加详细地进行描述。
附图说明
图1示出了根据本文中描述的一种实施方式的热电装置或热电模块的放大侧面透视图。
图2示出了根据本文中描述的一种实施方式的热电装置或热电模块的透视图。
图3示出了根据本文中描述的一些实施方式的聚合物基质中的各种碳纳米管负载率的塞贝克系数值(Seebeckcoefficientvalue)。
图4示出了根据本文中描述的一种实施方式的光热装置。
图5示出了根据本文中描述的一种实施方式的热电装置的侧面放大图。
图6示出了根据本文中描述的一种实施方式的热电装置或热电模块的pn结的异质界面过渡区。
图7示出了本文中描述的热电装置或热电模块的极化的聚合物复合膜的电压输出和通过复合膜形成的pn结对这种输出的整流。
图8示出了根据本文中描述的一种实施方式的热电制品的平面图。
图9示出了沿着线9-9选取的图8制品的横截面视图。
图10示出了根据本文中描述的一种实施方式的制品的透视图。
具体实施方式
本文中描述的实施方式通过参照以下的详细说明、实施例和附图能够更容易被理解。然而，本文中描述的元件、装置和方法并不限于详细描述中的具体实施方式、实施例和附图。应当认识到，这些实施方式只是本发明原理的举例说明。对于本领域技术人员而言，不脱离本发明的精神和范围的情况下许多修改和改变将是显而易见。
另外，本文中公开的所有范围应该理解为涵盖任何和所有归入的子范围。例如，所陈述的范围“1.0～10.0”应该认为包括以最小值1.0或更大值开始并以最大值10.0或更小的值结束的任何及所有子范围，例如，1～5.3，或4.7～10，或3.6～7.9。
此处公开的所有范围，除非另外明确指出，也应该认为包括所述范围的端点。例如，“5～10”的范围一般应该认为包括端点5和10。
此外，当短语“高达(upto)”结合数量使用时，应该理解的是，所述数量是至少可检测的量。例如，按照“高达”指定数量存在的物质能够从可检测的数量至高达和包括所述指定的数量存在。
I.热电装置
在一个方面中，本文中描述了热电装置。本文中描述的热电装置包含至少一个偶联至至少一个n-型层而提供pn结的p-型层，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括碳纳米颗粒而n-型层包括n-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层的碳纳米颗粒是p-掺杂的。p-型层的纳米颗粒和/或n-型层的纳米颗粒能够设置于包括电极化聚合物的聚合物基质中。另外，绝缘层能够包括表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒。本文中描述的装置的电极化聚合物和/或压电颗粒能够包括非随机取向的电偶极和/或电偶极域。而且，电极化聚合物和/或颗粒能够也表现出平行或基本平行于热电装置中电流流动的轴线取向的电偶极场以及表现出压电/热电行为。本文中描述的电极化组分的压电和/或热电性质能够容许热电装置引入这种组分而提供除了由暴露于热梯度所产生的电输出之外还由机械变形产生的电输出。
另外，在一些实施方式中，本文中的热电装置的p-型层，n-型层或绝缘层表现出热电场。热电场能够具有与本发明的目的不矛盾的任何取向。例如，热电场能够平行或基本平行于装置中电流流动的轴线进行取向。
在一些实施方式中，本文中描述的热电装置包含多个偶联至多个n-型层而提供多个pn结的p-型层，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层，其中至少一个p-型层包含碳纳米颗粒而至少一个n-型层包含n-掺杂碳纳米颗粒。另外，p-型层、n-型层或绝缘层能够包括电极化聚合物。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置的p-型层和n-型层为堆叠构造。
正如本文中所述，使p-型层和n-型层接触而产生pn-结。在一些实施方式中，界面过渡区存在于通过p-型层接触n-型层形成的pn结处。界面过渡区包含p-型层和n-型层混合的纳米颗粒。p-型和n-型层的纳米颗粒的混合能够提供异质结构的pn结。图6示出了根据本文中描述的一个实施方式的热电装置的pn结的异质界面过渡区。
另外，金属中间层能够设置于pn结的p-型层和n-型层之间。金属中间层能够由与本发明的目的一致的任何金属构成。例如，金属中间层能够由包括金，铂，铱，钯，锇，银，铑或钌，或其合金的贵金属构成。金属中间层也可以由铝，镍，铜，其它过渡金属或过渡金属合金形成。而且，金属中间层可以由表现出金属属性有机材料如石墨或石墨烯构成。
金属中间层能够起到销连接层(pinninglayer)的作用。销连接层，在一些实施方式中，销连接费米级的毗邻n-型层和p-型层。而且，本文中描述的销连接层能够能级上匹配于n-型层或p-型层。
在一些实施方式中，本文中描述的热电装置的pn结能够起到与装置的极化聚合物构造结构的压电和/或热电行为相关的电压输出的整流器作用。图7示出了本文中描述的热电装置中采用的极化压电薄膜的整流作用。提供包括碳纳米管的电极化PVDF膜并悬浮于10-6托(torr)的真空系统中，而冷块(coldblock)连接到膜的自由悬挂端部(连接到成角度下垂热电偶(anglehailthermocouple)和细供电引线)。加热器块支撑膜并包括连同热电偶由计算机外部控制的加热线圈。薄膜容许它们从其释放的预定起始位置的如同摆那样进行自由摆动。摆动的衰减用于确定机械性质和与压电功率相关的热电功率。图7示出了测试的结果。图7的上图示出了单个极化PVDF膜来回摆动的电压输出。预测了电压输出的对称性质。然而，图7底部的曲线示出了接触而形成pn结的极化p-型和n-型PVDF膜的电压输出。膜对的非对称电压输出是通过pn结的整流特性。这种整流能够加以利用而从本文中描述的热电装置提取由装置的各种机械变形产生的功率，否则其将由机械变形的方向性施加的随机性抵偿掉。
图1示出了根据本文中描述的一个实施方式的热电装置的放大侧视图。图1中示出的热电装置包含交替模式的偶联至n-型层(2)的两个p-型层(1)。p-型层(1)和n-型层(2)的交替偶联为热电装置提供了在装置的相对两侧面上具有pn结(4)的z-型构造。绝缘层(3)设置于p-型层(1)和n-型层(2)的界面之间，因为同p-型层(1)和n-型层(2)为堆叠构造。正如本文中所述，图1中提供的热电装置是放大状态而有利于图示说明和理解装置的各个部件。在一些实施方式中，然而，热电装置并非处于放大状态而使绝缘层(3)接触p-型层(1)和n-型层(2)。
图1另外示出了通过将装置一个侧面暴露于热源而引发的通过热电装置的电流流动。为热电装置提供电接触部(X)而将热发电流应用于外部负载。
图2示出了根据本文中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)为堆叠构造。以堆叠构造p-型层(201)和n-型层(202)通过绝缘层(207)分隔。热电装置(200)通过电接触部(204，205)连接至外部负载。
现在转向能够包含于本文中描述的热电装置的各个实施方式中的部件，本文中描述的热电装置包括至少一个包括碳纳米颗粒的p-型层。
p-型层的碳纳米颗粒，在一些实施方式中，包括富勒烯、碳纳米管、或其混合物。富勒烯，在一些实施方式中，包括1-(3-甲氧基羰基)丙基-l-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其混合物。
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以范围为约0.1wt％～约30wt％的量包括硼。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按照范围为约5wt％～约25wt％或约10wt％～约20wt％的量包括硼。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按照小于约0.1wt％的量包括硼。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，p-型掺杂剂引入到单壁和/或多壁碳纳米管的晶格中。在一些实施方式中，p-型掺杂剂通过包围单壁和/或多壁碳纳米管的环境而外部提供给碳纳米管。正如本文中进一步所述，p-型层的碳纳米管，在一些实施方式中，设置于聚合物基质中。在一些实施方式中，聚合物基质能够将p-掺杂剂提供于碳纳米管的表面上。在一些实施方式中，在聚合物基质将p-掺杂剂提供于碳纳米管表面上的情况下，碳纳米管在引入到聚合物基质中之前并未进行p-掺杂。可替换地，在一些实施方式中，在聚合物基质将p-掺杂剂提供于碳纳米管表面上的情况下，碳纳米管在引入到聚合物基质中之前包括p-掺杂剂。而且，在一些实施方式中，也设置于聚合物基质中的化学物质，如碱金属，能够起到碳纳米管的p-掺杂剂的作用。
在一些实施方式中，p-型层的碳纳米颗粒具有高的高径比。正如本文所用的所述术语高径比，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-型层的碳纳米颗粒表现出范围为约1～约106的高径比。在一些实施方式中，碳纳米颗粒表现出范围为约10～约100,000的高径比。在一些实施方式中，碳纳米颗粒具有范围为约10～约10,000或约5～约1000的高径比。
p-型层的碳纳米颗粒，包括碳纳米管，在一些实施方式中，具有范围为约1nm～约5mm或约10nm～约1mm的长度。在一些实施方式中，碳纳米颗粒具有范围为约50nm～约500μm，约100nm～约100μm，或约500nm～约10μm的长度。在一些实施方式中，碳纳米颗粒具有范围为约200μm～约500μm的长度。
p-型层的碳纳米颗粒，在一些实施方式中，具有范围为约1nm～约100nm的直径。在一些实施方式中，碳纳米颗粒具有范围为约10nm～约80nm或约20nm～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，p-型层的碳纳米颗粒，包括碳纳米管，设置成垫层型构造(matconfiguration)。
p-型层，在一些实施方式中，按照范围为约0.1wt％～约100wt％的量包含一种或多种本文中描述的碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层按照至少约2wt％的量包含碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层按照至少约5wt％或至少约10wt％的量包含碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层按照范围为约2wt％～约50wt％的量包含碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层按照范围为约5wt％～约30wt％的量包含碳纳米颗粒。
本文中描述的p-型层的碳纳米颗粒负载率，在一些实施方式中，能够参照层的所需塞贝克系数进行选择。图3示出了作为根据本文中描述的一些实施方式的p-型层的聚偏氟乙烯(PVDF)基质的SWNT负载率的函数的塞贝克系数。正如图3中所示，范围为5wt％～100wt％的SWNT负载率为p-型层提供了一定范围的塞贝克系数。
尽管在图3中指示的是PVDF，但p-型层的基质能够由其它聚合物物质构成。任何与本发明的目的不矛盾的聚合物材料能够用于p-型层的聚合物基质的生产。在一些实施方式中，聚合物基质包含半结晶聚合物，其包括但不限于，聚氟乙烯(PVF)，聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)，聚偏氟乙烯-四氟乙烯(PVDF-TFE)，聚四氟乙烯(PTFE)，或其混合物或共聚物。热电装置的p-型层中使用的PVDF，PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE的半结晶聚合物能够表现出增加的β-相的含量。例如，p-型层的PVDF，PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE能够表现出相比率β/α为1.5～2.5。在一些实施方式中，β/α相比率为2～2.5。正如本文中的讨论，β-相结晶能够通过极化作用技术提供非随机取向，由此增强了聚合物基质的压电和热电性质。
在一些实施方式中，p-型层的聚合物基质包括聚丙烯酸(PAA)，聚甲基丙烯酸酯(PMA)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其混合物或共聚物。在一些实施方式中，聚合物基质包括聚烯烃，其包括但不限于聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯或其混合物或共聚物。
在一些实施方式中，p-型层的聚合物基质包含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，其包括聚(3-己基噻吩)(P3HT)，聚(3-辛基噻吩)(P3OT)，和聚噻吩(PTh)。
在一些实施方式中，p-型层的聚合物基质包含一种或多种半导性聚合物。在一些实施方式中，半导性聚合物包括苯撑亚乙烯基类(phenylenevinylenes)，如聚(苯撑乙烯)(poly(phenylenevinylene))和聚(对苯撑乙烯)(poly(p-phenylenevinylene))(PPV)，及其衍生物。在一些实施方式中，半导性聚合物能够包括聚芴类，聚萘类，及其衍生物。在一些实施方式中，半导性聚合物包括聚(2-乙烯基吡啶)(P2VP)，聚酰胺类，聚(N-乙烯基咔唑)(PVCZ)，聚吡咯(PPy)，和聚苯胺(PAn)。在一些实施方式中，半导性聚合物包含聚[2,6-(4,4-二-(2-乙基己基)-4H-环戊并[2,1-b；3,4-b']二噻吩)-alt-4,7-(2,1,3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)。
在一些实施方式中，p-型层能够具有与本发明目的一致的任何所需厚度。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。p-型层，在一些实施方式中，具有至少约500nm或至少约1μm的厚度。在一些实施方式中，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-型层具有范围为约5nm～约50μm的厚度。在一些实施方式中，p-型层具有范围为约50nm～约30μm的厚度。在一些实施方式中，p-型层具有范围为约100nm～约20μm的厚度。在一些实施方式中，p-型层具有范围为约10nm～约100nm的厚度。
在一些实施方式中，p-型层能够具有与本发明的目的一致的任何所需的长度。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。p-型层，在一些实施方式中，具有至少约1mm或至少约10mm的长度。在一些实施方式中，p-型层具有范围为约1μm～约100mm的长度。在一些实施方式中，p-型层具有范围为约10μm～约500mm的长度。
p-型层，在一些实施方式中，在290K的温度下具有至少约5μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，p-型层在290K的温度下具有至少约10μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，p-型层在290K的温度下具有至少约15μV/K或至少约20μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，p-型层在290K的温度下具有至少约30μV/K的塞贝克系数。p-型层，在一些实施方式中，在290K的温度下具有范围为约5μV/K～约35μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，p-型层在290K的温度下具有范围为约10μV/K～约30μV/K的塞贝克系数。
正如本文中所述，在一些实施方式中，p-型层的塞贝克系数能够根据碳纳米颗粒特性和负载率而变化。在一些实施方式中，例如，p-型层的塞贝克系数与p-型层的单壁碳纳米管负载率成反比。
除了至少一个p-型层之外，本文中描述的热电装置包括至少一个包含多个n-掺杂碳纳米颗粒的n-型层。
n-掺杂碳纳米颗粒，在一些实施方式中，包括富勒烯，碳纳米管，或其混合物。富勒烯，在一些实施方式中，包括1-(3-甲氧基羰基)丙基-l-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，多壁碳纳米管或其混合物。
在一些实施方式中，n-型层的碳纳米颗粒，包括碳纳米管，设置成垫层型构造。
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按照范围为约0.1wt％～约30wt％的量包括氮。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按照范围为约5wt％～约25wt％或约10wt％～约20wt％的量包括氮。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按照小于约0.1wt％的量包括氮。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的纳米管。
在一些实施方式中，n-型掺杂剂引入到单壁和/或多壁碳纳米管的晶格中。在一些实施方式中，n-型掺杂剂通过包围单壁和/或多壁碳纳米管的环境外部提供给碳纳米管。正如本文中进一步所述，n-型层的碳纳米管，在一些实施方式中，设置于聚合物基质中。在一些实施方式中，聚合物基质能够将n-掺杂剂提供于碳纳米管的表面。在一些实施方式中，在聚合物基质将n-掺杂剂提供于碳纳米管的表面的情况下，碳纳米管在引入到基质中之前未进行n-掺杂。在一些实施方式中，在聚合物基质将n-掺杂剂提供于碳纳米管的表面的情况下，碳纳米管在引入到基质中之前进行了n-掺杂。
在一些实施方式中，n-型层的n-掺杂碳纳米颗粒具有高的高径比。在一些实施方式中，n-型层的n-掺杂碳纳米颗粒表现出范围为约1～约106的高径比。在一些实施方式中，n-掺杂碳纳米颗粒表现出范围为约10～约100,000的高径比。在一些实施方式中，n-掺杂碳纳米颗粒具有范围为约10～约10,000或约5～约1000的高径比。
n-型层的碳纳米颗粒，包括碳纳米管，在一些实施方式中，具有的长度范围为约1nm～约5mm或约10nm～约1mm。在一些实施方式中，n-掺杂碳纳米颗粒具有范围为约50nm～约500μm，约100nm～约100μm，或约500nm～10μm的长度。在一些实施方式中，n-掺杂的碳纳米管具有范围为约200pm～约500μm的长度。
n-型层的碳纳米颗粒，在一些实施方式中，具有范围为约1nm～约100nm的直径。在一些实施方式中，n-掺杂碳纳米颗粒具有范围为约10nm～约80nm或约20nm～约60nm的直径。在一些实施方式中，n-掺杂碳纳米颗粒具有大于约100nm或小于约1nm的直径。
n-型层，在一些实施方式中，按照基于n-型层的总重量范围为约0.1wt％～约100wt％的量能够包括本文中描述的n-掺杂碳纳米颗粒的一种或多种物质。在一些实施方式中，n-型层按照至少约2wt％的量包含n-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，n-型层按照至少约5wt％或至少约10wt％的量包含n-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，n-型层按照范围为约2wt％～约50wt％的量包含n-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，n-型层按照范围为约5wt％～约30wt％的量包含n-掺杂碳纳米颗粒。对于p-型层，n-型层的纳米颗粒负载率，在一些实施方式中，能够参照层的所需的塞贝克系数进行确定。
正如本文中所述，n-型层进一步包含n-掺杂碳纳米颗粒设置于其中的聚合物基质。n-型层的聚合物基质能够包括本文对于p-型层引述的任何聚合物物质。例如，n-型层的聚合物基质能够包括半结晶聚合物，包括，但不限于，聚氟乙烯(PVF)，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)，聚偏氟乙烯-四氟乙烯(PVDF-TFE)，聚四氟乙烯(PTFE)，或其混合物或共聚物。热电装置的n-型层中所用的PVDF、PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE的半结晶聚合物能够表现出含量增加的β-相。例如，n-型层的PVDF、PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE能够表现出1.5～2.5的β/α比率。在一些实施方式中，β/α比率为2～2.5。正如本文中的讨论，β-相结晶能够通过极化作用技术提供非随机的取向，由此增强基质的压电和热电性质。
在一些实施方式中，n-型层能够具有与本发明的目的不矛盾的任何所需的厚度。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。n-型层，在一些实施方式中，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-型层具有范围为约5nm～约50μm的厚度。在一些实施方式中，n-型层具有范围为约50nm～约30μm的厚度。在一些实施方式中，n-型层具有范围为约100nm～约20μm的厚度。
在一些实施方式中，n-型层能够具有与本发明的目的不矛盾的任何所需的长度。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。n-型层，在一些实施方式中，具有至少约1mm或至少约10mm的长度。在一些实施方式中，n-型层具有范围为约1μm～约100mm的长度。在一些实施方式中，n-型层具有范围为约10μm～约500mm的长度。在一些实施方式中，n-型层具有与毗邻p-型层同延的或基本上同延的长度。
n-型层，在一些实施方式中，在290K的温度下具有至少约-5μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，n-型层在290K的温度下具有至少约-10μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，n-型层在290K的温度下具有至少约-15μV/K或至少约-20μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，n-型层在290K的温度下具有至少约-30μV/K的塞贝克系数。n-型层，在一些实施方式中，在290K的温度下具有范围为约-5μV/K～约-35μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，n-型层在290K的温度下具有范围为约-10μV/K～约-30μV/K的塞贝克系数。
在一些实施方式中，n-型层的塞贝克系数能够根据n-掺杂碳纳米颗粒特性和负载率而变化。在一些实施方式中，例如，n-型层的塞贝克系数与n-型层的碳纳米颗粒负载率成反比。
在本文中描述的热电装置的一些实施方式中，包括p-掺杂的和n-掺杂的碳纳米管的碳纳米颗粒能够用一种或多种无机半导体纳米颗粒代替。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒包括IV族材料，II/VI族材料或III/V族材料或其组合。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，无机半导体材料提供了p-掺杂剂或n-掺杂剂用于本文中描述的各个p-层和n-层。
本文中描述的热电装置，在一些实施方式中，还包括设置于至少一个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。在一些实施方式中，绝缘层是电绝缘和热绝缘。在一些实施方式中，一种热电装置包含设置于多个p-型层和n-型层之间的多个绝缘层。绝缘层，在一些实施方式中，容许本文中描述的热电装置的p-型层和n-型层排布成堆叠构造。
在一些实施方式中，绝缘层包含一种或多种聚合物材料。与本发明的目的不矛盾的任何聚合物材料都能够用于生产绝缘层。聚合物绝缘层能够包括半结晶聚合物，包括，但不限于，聚氟乙烯(PVF)，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)，聚偏氟乙烯-四氟乙烯(PVDF-TFE)，聚四氟乙烯(PTFE)，或其混合物或共聚物。用于热电装置的绝缘层的PVDF、PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE的半结晶聚合物能够表现出含量增加的β-相。例如，绝缘层的PVDF，PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE能够表现出1.5～2.5的β/α比。在一些实施方式中，β/α比率为2～2.5。正如本文中的讨论，β-相结晶能够通过极化作用技术提供非随机的取向，由此增强绝缘层的压电和热电性质。
绝缘层，在一些实施方式中，包括聚丙烯酸(PAA)，聚甲基丙烯酸酯(PMA)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其混合物或共聚物。在一些实施方式中，绝缘层包含聚烯烃，其包括，但不限于聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯或其混合物或共聚物。
聚合物绝缘层能够进一步包括表现出压电行为的颗粒。例如，聚合物绝缘层能够包括的颗粒有BaTiO3、BiTe颗粒，其它无机压电颗粒或其混合物。BaTiO3颗粒、BiTe颗粒和/或其它无机颗粒能够具有与本发明的目的不矛盾的任何尺寸和/或几何形状。BaTiO3和BiTe颗粒能够表现出范围为20nm～500nm的尺寸分布。而且，压电颗粒能够按照与本发明的目的不矛盾的任何负载率分散于绝缘层的聚合物中。在一些实施方式中，BaTiO3颗粒、BiTe颗粒和/或其它无机压电颗粒是按照基于绝缘层的总重量5-80wt％或10-50wt％的量存在于绝缘层中的纳米颗粒。正如本文中所述，绝缘层的压电颗粒能够进行电极化而进一步增强本文中描述的热电装置的压电和/或热电性质。
此外，绝缘层能够由无机或陶瓷材料构成。在一些实施方式中，绝缘层由金属氧化物颗粒构成，包括过渡金属氧化物颗粒。合适的金属氧化物颗粒也能够表现出压电行为。在一个实施方式中，例如，绝缘层由能够电极化的BaTiO3颗粒构成。
绝缘层能够具有与本发明的目的不矛盾的任何所需的厚度。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。绝缘层，在一些实施方式中，具有至少约500nm或至少约1μm的厚度。在一些实施方式中，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，绝缘层具有范围为约5nm～约50μm的厚度。在一些实施方式中，绝缘层具有范围为约50nm～约30μm的厚度。在一些实施方式中，绝缘层具有范围为约100nm～约20μm的厚度。
绝缘层能够具有与本发明的目的不矛盾的任何所需的长度。在一些实施方式中，绝缘层具有基本上与绝缘层设置于其之间的p-型和n-型层一致的长度。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。绝缘层，在一些实施方式中，具有至少约1mm或至少约10μm的长度。在一些实施方式中，绝缘层具有范围为约1μm～约100μm的长度。在一些实施方式中，绝缘层具有范围为约10μm～约500mm的长度。
本文中描述的热电装置，在一些实施方式中，包括多个p-型层和多个n-型层。在一些实施方式中，热电装置能够包括与本发明的目的不矛盾的任何数目的p-型层和n-型层。在一些实施方式中，p-型层和n-型层通过绝缘层分隔按照交替模式按序排布成堆叠构造。在一些实施方式中，热电装置包含至少3个p-型层和至少3个n-型层。在一些实施方式中，热电装置包含至少5个p-型层和至少5个n-型层。在一些实施方式中，热电装置包含至少10个p-型层和至少10个n-型层。在一些实施方式中，热电装置包含至少15个p-型层和至少15个n-型层。在一些实施方式中，热电装置包含至少100个p-型层和至少100个n-型层。在一些实施方式中，一种热电装置包含至少1000个p-型层和至少1000个n-型层。
在一些实施方式中，本文中描述的包括一个或多个p-型层和一个或多个n-型层的热电装置具有织物的形式。在一些实施方式中，织物容许将热电装置柔性应用于各种具有不同表面形状和/或形态的基底。在一些实施方式中，例如，热电装置应用于曲面的和/或其它非平面的基底。
在一些实施方式中，具有本文中描述的构造结构的热电装置在290K的温度下具有至少约25μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置在290K的温度下具有至少约30μV/K或至少约50μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置在290K的温度下具有至少约75μV/K或至少约100μV/K的塞贝克系数。本文中描述的热电装置，在一些实施方式中，在290K的温度下具有至少约150μV/K或至少约175μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置在290K的温度下具有至少约200μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置在290K的温度下具有范围为约25μV/K～约250μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置在290K的温度下具有范围为约50μV/K～约150μV/K的塞贝克系数。
在一些实施方式中，本文中描述的热电装置具有至少0.5的ZT。本文中描述的热电装置，在一些实施方式中，具有至少约0.7或至少约0.8的ZT。在一些实施方式中，本文中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，本文中描述的热电装置具有范围为约0.5～约2或约0.8～约1.5的ZT。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置具有范围为约1～约1.3的ZT。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置具有范围为约1～10的ZT。
II.光热装置
在另一方面中，本文中描述了包括光伏部件和热电部件的光热装置。热电部件能够包括本文中以上在第I节中描述的任何热电装置。例如，在一些实施方式中，热电部件包括偶联至至少一个n-型层而提供pn结的至少一个p-型层，和至少部分设置于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-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，热电部件的p-型层，n-型层和/或绝缘层包括电极化聚合物。在一些实施方式中，pn结包含设置于形成结的p-型层和n-型层之间的金属中间层。另外，在一些实施方式中，热电部件包含偶联至多个n-型层而提供多个pn结的多个p-型层，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层。
图4示出了根据本文中描述的一个实施方式的光热装置。图4中示出的光热装置(400)包含偶联至热电部件(402)的光伏部件(401)。热电部件可以包括本文中描述的用于热电装置的任何构造。
而且，光伏部件包括辐射透射第一电极(404)，至少一个光敏层(405)，激子阻隔层(406)和第二辐射透射电极(407)。在光热装置的一些实施方式中，邻近热电部件的光伏部件的电极是非辐射透射的。
辐射透射第一电极和第二电极，根据本文中描述的一些实施方式，包括辐射透射导电氧化物。
辐射透射导电氧化物，在一些实施方式中，可以包括氧化铟锡(ITO)，镓铟锡氧化物(GITO)，和锌铟锡氧化物(ZITO)。在一些实施方式中，辐射透射第一和第二电极能够包括辐射透射聚合物材料如聚苯胺(PANI)及其化学相关物。在一些实施方式中，辐射透射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)能够是第一和/或第二电极的合适辐射透射聚合物材料。在一些实施方式中，辐射透射第一和/或第二电极能够包括具有用于至少部分穿过可见电磁辐射的厚度的碳纳米管层。
在另一实施方式中，辐射透射第一和/或第二电极能够包括复合材料，复合材料包括分散于聚合物相中的纳米颗粒相。纳米颗粒相，在一个实施方式中，能够包括碳纳米管，富勒烯，或其混合物。在进一步的实施方式中，辐射透射第一和/或第二电极能够包括具有用于至少部分穿过可见电磁辐射的厚度的金属层。在一些实施方式中，金属层能够包括元素纯的金属或合金。适合用作辐射透射第一电极的金属能够包括高功函金属。
在一些实施方式中，辐射透射第一和第二电极能够具有范围为约10nm～约1μm的厚度。在一些实施方式中，辐射透射第一和第二电极能够具有范围为约100nm～约900nm的厚度。在另一实施方式中，辐射透射第一和第二电极能够具有范围为约200nm～约800nm的厚度。在进一步的实施方式中，辐射透射第一和第二电极能够具有大于约1μm的厚度。
在一些实施方式中，辐射透射第一和第二电极相互独立地构成。在一些实施方式中，辐射透射第一和第二电极相互参照构成。
在一些实施方式中，光伏部件的至少一个光敏层包括有机组分。在一些实施方式中，光敏有机层具有范围为约30nm～约1μm的厚度。在其它实施方式中，光敏有机层具有范围为约80nm～约800nm的厚度。在进一步的实施方式中，光敏有机层具有范围为约100nm～约300nm的厚度。
光敏有机层，根据本文中描述的实施方式，包括至少一个吸收电磁辐射的光活性区以产生可以随后分离成电子和空穴中激子。在一些实施方式中，光活性区能够包括聚合物。适用于光敏有机层的光活性区的聚合物，在一个实施方式中，能够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)，和聚噻吩(PTh)。
在一些实施方式中，适合于光敏有机层的光活性区的聚合物能够包括半导性聚合物。在一个实施方式中，半导性聚合物包括苯撑亚乙烯类，如聚(苯撑乙烯)和聚(对苯撑乙烯)(PPV)，及其衍生物。在其它实施方式中，半导性聚合物能够包括聚芴类，聚萘类，及其衍生物。在进一步的实施方式中，用于光敏有机层的光活性区的半导性聚合物能够包括聚(2-乙烯基吡啶)(P2VP)，聚酰胺类，聚(N-乙烯基咔唑)(PVCZ)，聚吡咯(PPy)，和聚苯胺(PAn)。
光活性区，根据一些实施方式，能够包括小分子。在一个实施方式中，适合于光敏有机层的光活性区的小分子能够包括香豆素6，香豆素30，香豆素102，香豆素110，香豆素153，和香豆素480D。在另一实施方式中，小分子能够包括部花青540。在进一步的实施方式中，小分子能够包括9,10-二氢苯并[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，和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，激子分离沉淀于毗邻供体和受体材料之间形成的有机层中的异质结(heterojunctions)处。有机层，在本文中描述的一些实施方式中，包含供体和受体材料之间形成的至少一个本体异质结。在其它实施方式中，有机层包括供体和受体材料之间形成的多个本体异质结。
在有机材料的情况下，所述术语供体和受体是指两种接触而不同的有机物质的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)能级的相对位置。这是相对于无机情况下使用这些术语的，其中供体和受体可以指可以分别用于产生无机n-和p-型层的各种类型的掺杂剂。在有机的情况下，如果接触另一种材料的一种材料的LUMO能级较低，则该材料就是受体。否则，它就是供体。在没有外部偏压情况下，对于供体-受体结移动进入受体材料的电子，和对于移动进入供体材料的空穴，这是能量有利的。
光敏有机层中的光活性区，根据本文中描述的一些实施方式，包括聚合物复合材料。聚合物复合材料，在一个实施方式中，能够包括分散于聚合物相中的纳米颗粒相。适合产生光活性区的聚合物相的聚合物能够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含至少一种碳纳米颗粒。碳纳米颗粒能够包括富勒烯，碳纳米管，或其混合物。适用于纳米颗粒相的富勒烯，在一个实施方式中，能够包括1-(3-甲氧基羰基)丙基-l-苯基(6,6)C61(PCBM)。用于纳米颗粒相的碳纳米管，根据一些实施方式，能够包括单壁纳米管，多壁纳米管，或其混合物。
在本文中描述的一些实施方式中，聚合物与纳米颗粒在聚合物复合材料中的比率范围为约1:10～约1:0.1。在一些实施方式中，聚合物与纳米颗粒在聚合物复合材料中的比率范围为约1:4～约1:0.4。在一些实施方式中，聚合物与纳米颗粒在聚合物复合材料中的比率范围为约1:2～约1:0.6。在一个实施方式中，例如，聚(3-己基噻吩)与PCBM的比率范围为约1:1～约1:0.4。
在进一步的实施方式中，分散于聚合物相中的纳米颗粒相包含至少一个纳米晶须。正如本文所用的纳米晶须，是指由多个碳纳米颗粒形成的结晶碳纳米颗粒。纳米晶须，在一些实施方式中，能够通过包括聚合物复合材料的光敏有机层退火产生。用于形成纳米晶须的碳纳米颗粒，根据一些实施方式，能够包括单壁碳纳米管，多壁碳纳米管，和富勒烯。在一个实施方式中，纳米晶须包括结晶PCBM。光敏有机层退火，在一些实施方式中，能够进一步提高纳米颗粒相在聚合物相中的分散。
在包括聚合物相和纳米颗粒相的光活性区的实施方式中，聚合物相起到了供体材料的作用而纳米颗粒相起到了受体材料的作用由此形成将激子分离成空穴和电子的异质结。在纳米颗粒分散于整个聚合物相中的实施方式中，有机层的光活性区包含多个本体异质结。在一些实施方式中，光敏有机层的光活性区中的供体材料能够包括有机金属化合物，包括卟啉类，酞菁类，及其衍生物。在进一步的实施方式中，光敏有机层的光活性区中的受体材料能够包括芘类，聚萘类，及其混合物。
在一些实施方式中，光伏部件的至少一个光敏层包含无机组分。本文中描述的光敏无机层，在一些实施方式中，能够具有各种组分。在一些实施方式中，本文中描述的光伏部件的光敏无机层包含无机组分，其包括IV族半导体材料，II/VI族半导体材料(如，CdTe)，III/V族半导体材料，或其组合或混合物。在一些实施方式中，光敏无机层包含IV族，II/VI族，或III/V族二元，三元或四元系统。在一些实施方式中，光敏无机层包含I/III/VI材料，如硒化铜铟镓(CIGS)。在一些实施方式中，光敏无机层包含多晶硅(Si)。在一些实施方式中，光敏无机层包含微晶，纳晶和/或原生晶硅。在一些实施方式中，光敏无机层包含多晶硫化铜锌锡(CZTS)。在一些实施方式中，光敏无机层包含微晶，纳晶，和/或原生晶CZTS。在一些实施方式中，CZTS包含Cu2ZnSnS4。在一些实施方式中，CZTS进一步包含硒(Se)。在一些实施方式中，CZTS进一步包含镓(Ga)。
在一些实施方式中，本文中描述的光伏部件的光敏无机层包含非晶材料。在一些实施方式中，至少一个光敏无机层包含非晶硅(a-Si)。在一些实施方式中，光敏无机层的非晶硅是未钝化的或基本上未钝化的。在一些实施方式中，光敏无机层的非晶硅用氢钝化(a-Si:H)。在一些实施方式中，光敏无机层的非晶硅并未用卤素钝化或是非卤素钝化的。在一些实施方式中，例如，光敏无机层的非晶硅不含或基本上不含Si:F。可替换地，在一些实施方式中，光敏无机层的非晶硅是氟钝化的(a-Si:F)。
在一些实施方式中，一种或多种异质结能够通过掺杂构建于本文中描述的光敏无机层中。在一些实施方式中，例如，光敏无机层的一个区域用p-掺杂剂掺杂而光敏无机层的另一个区域用n-掺杂剂掺杂而提供异质结。在一些实施方式中，在光敏无机层的材料是本征p-型的情况下，光敏无机层的区域能够用n-掺杂剂掺杂而提供异质结。在一些实施方式中，在光敏无机层的材料是本征n-型的情况下，光敏无机层的区域能够用p-掺杂剂掺杂而提供异质结。
在一些实施方式中，适合进行掺杂的光敏层的本文中描述的任何无机材料经过掺杂而在光敏层中建立一种或多种异质结。在一些实施方式中，例如，氢钝化的非晶硅用p-型和/或n-型掺杂剂进行掺杂而建立一种或多种异质结。而且，在一些实施方式中，本文中描述的无机光敏层的IV族，III/V族和/或II/VI族半导体材料能够用p-型和/或n-型掺杂剂掺杂而提供一种或多种异质结。
在一些实施方式中，本文中描述的光伏部件包含至少一个包括n-型区，本征区，和p-型区的光敏无机层。在一些实施方式中，n-型区由n-掺杂的无机半导体构成。在一些实施方式中，p-型区由p-掺杂的无机半导体构成。在一些实施方式中，本征区由未掺杂的无机半导体构成。
在一些实施方式中，本文中描述的光伏部件包含多结构造。在一些实施方式中，光伏部件包含多个光敏无机层，每层包括n-型区，本征区，和p-型区。在一些实施方式中，光伏部件包含两个光敏无机层，每层包括n-型区，本征区，和p-型区，由此提供双结器件。在一些实施方式中，光伏部件包含三个光敏无机层，每层包括n-型区，本征区，和p-型区，由此提供三结器件。在一些实施方式中包括多个光敏无机层，每层包括n-型区，本征区，和p-型区，多个无机层相互毗邻，而使一个或多个异质结形成于无机层之间。在一些实施方式中，例如，光伏部件包括：包括第一n-型区，第一本征区，和第一p-型区的第一光敏无机层；和包括第二n-型区，第二本征区，和第二p-型区的第二光敏无机层，其中第一p-型区毗邻于第二n-型区或第一n-型区毗邻于第二p-型区。在一些实施方式中，本文中描述的光电器件包含单结器件。正如本领域内技术人员所知，隧穿结，在一些实施方式中，能够设置于本文中描述的多结器件的构造中的第一，第二和/或第三光敏无机层之间。
在一些实施方式中，光伏部件包含多个光敏有机层。
在一些实施方式中，在多个光敏层存在于光伏部件中的情况下，光敏层的吸收分布没有重叠或基本上未重叠。在一些实施方式中，在多个光敏层存在于光伏部件中的情况下，光敏层的吸收分布至少部分重叠。在一些实施方式中，多个光敏层能够用于光伏部件中而捕获太阳能光谱的一个或多个区。
在一些实施方式中，光伏部件的激子阻隔层(EBL)能够发挥作用而将光生激子约束于分离界面附近的区域内并阻止寄生激子淬灭于光敏层/电极界面上。除了限制激子可以扩散的路径之外，EBL还能够另外起到作为电极沉积期间引入的物质的扩散阻隔层的作用。在一些实施方式中，EBL能够具有充足的厚度而填充销空穴或短路缺陷，否则其能够导致光伏装置不可操作。
EBL，根据本文中描述的一些实施方式，能够包括聚合物复合材料。在一个实施方式中，EBL包含分散于3,4-聚乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT:PSS)中的碳纳米颗粒。在另一实施方式中，EBL包含分散于聚(偏氯乙烯)及其共聚物中的碳纳米颗粒。分散于包括PEDOT:PSS和聚(偏氯乙烯)的聚合物相中的碳纳米颗粒能够包括单壁纳米管，多壁纳米管，富勒烯，或其混合物。在进一步的实施方式中，EBL能够包括具有用于容许空穴传输而同时阻止电子通过的功函数能量的任何聚合物。
在一些实施方式中，EBL可以设置于光活性组件的辐射透射第一电极和有机光敏层之间。在一些实施方式中，在光电器件包含多个光敏有机层的情况下，例如，EBL能够设置于这些光敏有机层之间。
在一些实施方式中，光伏部件包含一种或多种上转换剂(upconverter)和/或下转换剂(downconverter)。正如本领域技术人员理解那样，上转换剂是用于发射具有能量大于被材料吸收的电磁辐射能量的电磁辐射而产生激发态的材料。适用于一些实施方式的上转换剂，能够吸收红外辐射并发射可用于被本文中所描述的光伏部件的光敏有机层吸收的波长下的可见辐射。
上转换剂，在一些实施方式中，能够包括包含至少一种镧系元素的材料。在一些实施方式中，上转换剂材料能够包括包含至少一种镧系元素的纳米颗粒。根据本文中描述的一些实施方式适用于上转换剂材料的镧系元素包括铒，镱，镝，钬，或其混合物。在一些实施方式中，上转换剂材料包括用铒，镱，镝，钬，或其混合物的离子掺杂的金属氧化物和金属硫化物。在其它实施方式中，光纤维可以直接用铒，镱，镝，钬，或其混合物的离子进行掺杂。
在其它实施方式中，上转换剂材料能够包括有机的化学物质。有机上转换剂材料能够包括H2C6N和4-二烷基氨基-1,8-萘二甲酰亚胺以及1,8-萘二甲酰亚胺衍生物和化合物，如多支化的萘二甲酰亚胺衍生物TPA-NA1，TPA-NA2，和TPA-NA3。有机上转换剂材料也能够包括4-(二甲基氨基)肉桂腈(顺式和反式)，反-4-[4-(二甲基氨基)苯乙烯基]-1-甲基吡啶鎓碘化物，4-[4-(二甲基氨基)苯乙烯基]吡啶，4-(二乙基氨基)苯甲醛二苯腙，对甲苯磺酸反-4-[4-(二甲基氨基)苯乙烯基]-1-甲基吡啶鎓盐，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’-硝基芪，分散橙25，分散橙3，和分散红1。
在进一步的实施方式中，上转换剂材料能够包括量子点。量子点，根据一些实施方式，能够包括III/V和II/VI半导体材料，如硒化镉(CdSe)，碲化镉(CdTe)，和硒化锌(ZnSe)。上转换剂材料也能够包括量子点的核壳构造结构。
除了本文提供的那些之外，本文中描述的一些实施方式设想了包括过渡金属如铬的其他上转换剂材料。
在一些实施方式中，光伏部件具有与美国专利申请公开2009/0173372和2009/0301565中描述一致的构造结构，这每一个专利以其全部内容结合于本文中作为参考。
再一次参照图4，光热装置(400)进一步包含设置于光伏部件(401)和热电部件(402)之间的斯托克斯迁移层(403)。在一些实施方式中，斯托克斯迁移层包含一种或多种可用于产生向热电部件的毗邻侧面传输的热能的斯托克斯迁移化学物质。在一些实施方式中，斯托克斯迁移化学物质吸收穿过光伏部件的(401)的电磁辐射。而且，在一些实施方式中，通过一种或多种斯托克斯迁移化学物质发射的辐射被光伏部件(401)吸收。
与本发明的目的不矛盾的任何斯托克斯迁移材料能够用于引入到斯托克斯迁移层中。在一些实施方式中，合适的斯托克斯位移材料根据吸收和发射分布进行选择。在一些实施方式中，斯托克斯迁移材料的吸收分布并不重叠于光伏部件的光敏层的吸收分布。在一些实施方式中，斯托克斯迁移材料的吸收分布至少部分地与光伏部件的光敏层的吸收分布重叠。另外，在一些实施方式中，斯托克斯迁移材料具有的发射分布至少部分与光伏部件的光敏层的吸收分布重叠。
在一些实施方式中，斯托克斯迁移材料用于吸收电磁光谱近紫外区的辐射。在一些实施方式中，例如，斯托克斯迁移材料会吸收具有波长范围为约300nm～约400nm的辐射。
在一些实施方式中，斯托克斯迁移材料包含染料。与本发明的目的不矛盾的任何染料都可以使用。在一些实施方式中，例如，染料包含香豆素，香豆素衍生物，芘，和芘衍生物中的一种或多种。在一些实施方式中，斯托克斯迁移材料包含紫外光可激发的荧光团。适用于本文中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，AlexaFluor350，乙酸氨基甲基香豆素(AMCA)，滨海蓝(MarinaBlue)染料，Dapoxyl染料，二烷基氨基香豆素，Bimane染料，羟基香豆素，CascadeBlue染料，PacificOrange染料，AlexaFluor405，CascadeYellow染料，PacificBlue染料，PyMPO，和AlexaFluor430。
在一些实施方式中，斯托克斯迁移材料包含磷光体。与本发明的目的不矛盾的任何磷光体都可以使用。在一些实施方式中，例如，磷光体包含卤代磷酸盐磷光体和三磷光体(triphosphor)中的一种或多种。适用于本文中描述的一些实施方式的磷光体非限制性实例包括Ca5(PO4)3(F,Cl):Sb3+，Mn2+；Eu:Y2O3；和Tb3+，Ce3+:LaPO4。在一些实施方式中，磷光体包含磷光体颗粒。磷光体颗粒，在一些实施方式中，能够悬浮于流体中。
III.制作热电装置的方法
在另一方面中，本文中描述了制作热电装置的方法。在一些实施方式中，制作热电装置的方法包括提供至少一个包括多个碳纳米颗粒的p-型层，提供至少一个包括多个n-掺杂碳纳米颗粒的n-型层，将绝缘层布置于p-型层和n-型层之间，和将p-型层和n-型层偶联而提供pn结。在一些实施方式中，p-型层的碳纳米颗粒设置于第一聚合物基质之中而n-型层的碳纳米颗粒设置于第二聚合物基质之中，其中第一聚合物基质和/或第二聚合物基质进行电极化。极化能够按照与本发明的目的不矛盾的任何方式进行实施。在一些实施方式中，例如，极化包括沿着p-型层和/或n-型层的长度压装一种或多种相互交错的阵列并向阵列施加极化电压。热电装置的绝缘层，在一些实施方式中，包含表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒。
而且，在一些实施方式中，制作本文中描述的热电装置的方法进一步包括将金属中间层设置于提供结的p-型层和n-型层之间。金属中间层能够具有本文中描述的任何构造结构。
另外，在一些实施方式中，多个p-型层和n-型层提供并相互偶联而导致形成多个pn-结。在一些实施方式中，绝缘层位于p-型层和n-型层之间。另外，在制作热电装置的方法的一些实施方式中，p-型层和n-型层排布成堆叠构造。p-层和n-层能够通过金属接触部偶联而提供pn结。在一些实施方式中，例如，p-层通过金属接触部偶联至n-层而提供本文中描述的热电装置的pn-结。
IV.制作光热装置的方法
在另一方面中，本文中描述了制作光热装置的方法。在一些实施方式中，制作光热装置的方法包括提供光伏部件，提供热电部件并偶联光伏部件和热电部件。热电部件能够具有本文中描述的任何热电装置的结构。例如，在一些实施方式中，热电部件包含至少一个偶联至至少一个n-型层而提供pn结的p-型层，和至少部分设置于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-掺杂碳纳米颗粒。另外，p-型层，n-型层和/或绝缘层能够包括电极化聚合物。在一些实施方式中，pn结包含设置于形成结的p-型层和n-型层之间的金属中间层。另外，在一些实施方式中，如本文中所述热电部件包含偶联至多个n-型层而提供多个pn结的多个p-型层。
在一些实施方式中，制作光热装置的方法进一步包括将斯托克斯迁移层设置于光伏部件和热电部件之间。
V.转化电磁能量的方法
在另一方面中，本文中描述了电磁能转化成电能的方法。在一些实施方式中，电磁能转化成电能的方法包括提供本文以上在II小节中描述的装置，如包括光伏部件和偶联至光伏部件的热电部件的装置，热电部件包括偶联至至少一个n-型层而提供pn结的至少一个p-型层，和至少部分设置于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-掺杂碳纳米颗粒。电磁辐射被光伏部件吸收而提供光电流和加热热电部件的一个侧面而引发横跨热电部件的电压。另外，在一些实施方式中，热电部件的至少一个p-型层的纳米颗粒和/或至少一个n-型层的纳米颗粒设置于电极化聚合物基质之中。热电部件的绝缘层，在一些实施方式中，包括表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒。
在一些实施方式中，加热热电部件的一个侧面包括将光伏部件中产生的热量传导至热电部件的的一个侧面上。另外，在一些实施方式中，加热热电部件的一个侧面包括在光伏部件和热电部件之间提供斯托克斯迁移层，采用斯托克斯迁移层吸收电磁辐射而产生热量和电磁辐射并将所产生的热量传导至热电部件的一个侧面。在一些实施方式中，斯托克斯迁移层产生的电磁辐射传输至光伏部件用于产生光电流。
VI.热电制品和织物
在另一方面中，本文中描述了热电制品。在还有的另一方面中，本文中描述了热电织物。在一些实施方式中，本文中描述的制品和/或织物能够用于有效将热能转化成电能，包括当制品和/或织物设置于非平面或复杂表面上时。例如，在一些实施方式中，本文中描述的制品或织物能够用作或引入到服装的制品或电子器件的外壳。而且，本文中描述的制品或织物能够按照适形或基本适形的方式设置于人用户的皮肤或电子器件的表面上或与之接触。
本文中描述的制品，在一些实施方式中，包括热绝缘载体和热电模块，热电模块由围绕或穿过热绝缘载体而在热绝缘载体的相对两侧面上提供热电模块的外面的结构形成。热电模块能够具有本文以上I小节中描述的热电装置的结构。在一些实施方式中，热电模块的结构是连续的和导电性的。而且，在一些实施方式中，热电模块，包括通过设置于载体之内或之上的一个或多个电接触部，电连接至热绝缘载体。而且，电接触部能够包括电二极管。
另外，热电模块的连续结构包含偶联至n-型层而形成pn结的p-型层，其中绝缘层部分设置于p-型层和n-型层之间。在一些实施方式中，本文中描述的连续结构的p-型层和n-型层为堆叠构造。而且，在热电模块的外面上的p-型层和n-型层能够基本平行于热绝缘载体的相对两侧面。另外，热电模块结构围绕或穿过绝缘载体的一段能够基本正交于热电模块的外面中至少之一。
而且，连续热电模块结构的p-型层能够包括碳纳米颗粒而n-型层包括n-掺杂碳纳米颗粒。p-型层的碳纳米颗粒能够进行p-掺杂。p-型层的纳米颗粒和/或n-型层的纳米颗粒也能够设置于聚合物基质中，包括包含电极化聚合物的聚合物基质。
热电模块的电极化聚合物能够包括非随机取向的电偶极和/或电偶极域。而且，电极化聚合物也能够表现出平行或基本平行于热电模块中电流流动的轴线取向的电偶极场以及表现出压电/热电行为。电极化聚合物组分的压电和/或热电性质能够容许制品引入这样的组分而提供除了由暴露于热梯度所产生的电输出之外还由机械变形产生的电输出。
另外，热电模块结构的绝缘层能够包括表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒，如钛酸钡(BaTiO3)颗粒，碲化铋颗粒(BiTe)，其它无机颗粒或其混合物。
而且，在一些实施方式中，本文中描述的热电模块结构的p-型层，n-型层或绝缘层表现出热电场。热电场能够具有与本发明的目的不矛盾的任何取向。例如，热电场能够平行或基本平行于结构中电流流动的轴线取向。
正如本文中所述，使p-型层和n-型层接触而产生pn-结。在一些实施方式中，界面过渡区存在于通过与n-型层接触的p-型层形成的pn结处。界面过渡区，在一些实施方式中，包括p-型层的和n-型层混合的纳米颗粒。p-型和n-型层的纳米颗粒的混合够提供异质结构的pn结。
另外，金属中间层能够设置于pn结的p-型层和n-型层之间。金属中间层能够由与本发明的目的不矛盾的任何金属构成。例如，金属中间层能够由贵金属，包括金，铂，铱，钯，锇，银，铑或钌或其合金构成。金属中间层可以由铝，镍，铜，其它过渡金属或过渡金属合金构成。而且，金属中间层可以由表现出金属性质的有机材料如石墨或石墨烯构成。
金属中间层能够起到销连接层作用。销连接层，在一些实施方式中，销连接费米级的毗邻n-型层和p-型层。而且，本文中描述的销连接层能够能级匹配于n-型层或p-型层。
而且，在一些实施方式中，热电模块的pn结能够起到与模块的极化聚合物构造结构的压电和/或热电行为相关的电压输出的整流器作用。
而且，正如本文中所述，制品的热绝缘载体能够是织物的一种或多种纤维。因此，在另一方面中，提供了热电织物。例如，织物包括一种或多种热绝缘纤维和热电模块，热电模块由围绕或穿过热绝缘纤维而在热绝缘纤维的相对两侧面上提供热电模块的外面的结构形成。热电模块能够具有本文中描述的任何结构或性质。而且，在一些实施方式中，热电模块具有选择成提供对织物的所需刚性或柔性的尺寸，由此容许织物和表面如人体的表面或电子器件的表面之间的柔性或适形接触。
另外，织物能够包括与本发明的目的不矛盾的任何热绝缘纤维。例如，在一些实施方式中，热绝缘纤维包含热绝缘植物纤维，动物纤维，或合成纤维。在一些实施方式中，热绝缘纤维包含羊毛，丝，棉，亚麻，黄麻，剑麻，莫代尔(Modal)纤维，莱赛尔纤维(Lyocell)，纤维素，聚酯，聚烯烃，聚氨酯，聚酰胺，芳纶纤维，丙烯酸树脂，尼龙，氨纶和其组合中的一种或多种。其它热绝缘纤维也可以使用。
另外，本文中描述的热电织物能够具有与本发明的目的不矛盾的任何纺织品或织物结构或构造。在一些实施方式中，例如，本文中描述的织物具有织造的(woven)或纺织的(weave)构造。在这种实施方式中，织物的热绝缘纤维能够形成织物的经或纬。例如，热绝缘纤维能够设置于织物的纬方向上而热电模块的结构能够在经方向上穿过或围绕热绝缘纤维。而且，在一些实施方式中，本文中描述的织物能够包括多个排布于一个或多个列或行上并穿过或围绕多个热绝缘纤维的热电模块结构，纤维也排布于一个或多个列或行上。热绝缘纤维的列或行能够正交于热电模块结构的列或行。
而且，这种列或行不需要是连续的，但相反能够是非连续的，而使这种织物包含开放区和封闭区。开放区能够允许热绝缘纤维相对两侧面之间和/或织物的相对两侧面之间进行水分和/或空气交换。封闭区能够防止或抑制织物的或织物纤维的相对两侧面之间之间进行水分和/或空气交换。本文中描述的织物能够具有与本发明的目的不矛盾的任何开放和封闭区的组合。例如，在一些实施方式中，本文中描述的织物包含10％～约50％的开放区和50％～约90％的封闭区。其他的构造也是可能的。
热电织物的相对两侧面或热绝缘载体的相对两侧面能够形成织物或制品的“热”侧面和“冷”侧面。织物或制品的热侧面，为了本文参照目的，能够包括具有较高温度的侧面，而冷侧面能够包括具有较低温度的侧面。例如，织物或制品的热侧面是对着热或暖表面设置的侧面，如穿戴者的皮肤或电子器件如移动电话的表面，冷侧面暴露于外界环境。在其它情况下，暴露于外部环境的侧面是织物或制品的热侧面。
而且，本文中描述的制品或织物的热电模块的外面能够按照与本发明的目的不矛盾的任何方式设置于织物或制品的相对两侧面上。在一些实施方式中，例如，热电模块结构的外面都按照相同方式设置，而使热模块的正(或负)输出的一些都处于热侧面或都处于冷侧面上。可替换地，在其它实施方式中，热电模块结构的外面能够按照不同的方式进行设置，而使热模块的正(或负)输出的一些处于热侧面而同时热模块的其它正(或负)输出处于冷侧面上。这种构造，在一些实施方式中，能够容许本文中描述的制品或织物在任何给定的时间下无论织物或制品的那一侧面是冷侧面或是热侧面都能够提供电能。
在一般情况下，通过热电模块提供的电能能够通过一个或多个电接触部转移到外部电路。电接触部能够设置于本文中描述的热绝缘载体的内部或表面上。例如，在一些实施方式中，一条或多条金属导线设置于热绝缘载体表面上和/或内部。与本发明的目的不矛盾的任何金属导线都可以使用。在一些实施方式中，例如，金属导线包括铜。
而且，本文中描述的制品或织物也能够包含一条或多条电总线或其它外部接触部用于从热电模块移除电荷。例如，一排或列热电模块可以构造成在冷-热环境(其中外部环境是相对冷的)产生电能，而同时热电模块的另一行或列可以构造成在热-冷环境(其中外部环境相对较热)中产生电能。在一些这样的实施方式中，独立的行或列能够不同地和/或分别地或单独地进行电连接。此外，在其它实施方式中，织物或制品的所有热电模块能够并行电连接(并联电连接)，如当所有的热电模块相对于制品或织物的热侧面和冷侧面具有相同的取向时。
而且，本文中描述的制品或织物能够包括分别与电子器件和/或能量存储介质如移动电话或电池的电连接。因此，本文中描述的制品或织物能够直接用于对电子器件或电池供电或充电。
一些实施方式现在将参照附图进行进一步描述。图8示出了根据本文中描述的一个实施方式的热电制品的平面图。图9示出了沿线9-9选取的图8制品的横截面视图。
图8和图9中示出的热电制品或织物(100)包含热绝缘载体(110)和的热电模块(120)，热电模块由围绕或穿过热绝缘载体(110)而在热绝缘载体(110)的相对两侧面(111，112)上提供热电模块(120)的外面(121，122)的结构形成。在一些实施方式中，热绝缘载体(110)是织物的一种或多种纤维。在这种实施方式中，热绝缘载体(110)能够设置于纬线方向(图8中的d1)上而热电模块(120)能够设置于经线方向(图8中的d2)上。而且，这种排布能够提供具有敞开区(150)和封闭区的织物(100)。
正如图1和2中的示出，热电模块(120)的结构是连续结构，包括两个拐点(123)，其中结构围绕或穿过热绝缘载体(110)发生弯曲或弯折。而且，热电模块(120)的外面(121，122)上的p-型层和n-型层(未显示)基本平行于热绝缘载体(110)的相对两侧面(111，112)。另外，在图8和图9的实施方式中，热电模块(120)的结构围绕或穿过绝缘载体(110)的一段(124)基本正交于热电模块(120)的外面(121，122)中至少之一。
图10示出了根据本文中描述的一个实施方式的制品或织物(100)的透视图。正如图10中的示出的，制品或织物(100)能够具有冷侧面(130)和热侧面(140)。图10的实施方式中的冷侧面(130)对应于热电模块结构(120)的外面(121)而热侧面(140)对应于热传导性载体(110)的相对侧面(112)上热电模块结构(120)的外面(122)。然而，正如以上本文中所述，其他排布也是可能的。
图1示出了根据本文中描述的一个实施方式的热电模块或一种热电装置的放大侧视图。图1中示出的热电模块包含交替模式的偶联至n-型层(2)的两个p-型层(1)。p-型层(1)和n-型层(2)的交替偶联为热电模块提供了在模块的相对两侧面上具有pn结(4)的z-型构造。绝缘层(3)设置于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)为一种堆叠构造。正如本文中所述，图1中提供的热电模块处于一种放大状态而有利于图示说明和理解模块的各个部件。在一些实施方式中，然而，热电模块并未处于放大状态而使绝缘层(3)与p-型层(1)和n-型层(2)接触。热电模块能够包括交替模式的任何所需数量的偶联至n-型层的p-型层。
图1另外示出了通过将模块的一侧面暴露于热源而引发的通过热电模块的电流流。电接触部(X)提供于热电模块而用于将热生电流施加于外部负载。
图2示出了根据本文中描述的一个实施方式的热电模块(200)，其中p-型层(201)和n-型层(202)为堆叠构造。以堆叠构造p-型层(201)和n-型层(202)通过绝缘层(207)分隔开。热电模块(200)通过电接触部(204，205)连接于外部负载。
现在转到本文中描述的热电制品或织物的各个实施方式中能够包括的部件，本文中描述的制品或织物包含热绝缘载体或热绝缘纤维。与本发明的目的不矛盾的任何热绝缘载体或纤维都可以使用。在一些实施方式中，例如，热绝缘载体包括天然或合成纤维，包括羊毛，丝，棉，亚麻，黄麻，剑麻，莫代尔(Modal)纤维，莱赛尔(Lyocell)纤维，纤维素，聚酯，聚氨酯，聚酰胺，芳纶纤维，丙烯酸树脂，尼龙，氨纶和其组合中的一种或多种。在一些实施方式中，热绝缘载体包括无机材料。无机材料能够包括氧化物如金属氧化物或玻璃如玻璃纤维。在一些实施方式中，无机材料包括陶瓷材料。无机材料能够包括氧化硅，氧化钛，氧化锆和氧化锌中的一种或多种。
而且，本文中描述的制品的热绝缘载体能够具有与本发明的目的不矛盾的任何结构。例如，在一些实施方式中，热绝缘载体具有网或丝网结构。其它结构也能够使用，包括无纺布结构。
本文中描述的制品或织物还包含热电模块结构。与本发明的目的不矛盾的任何热电模块结构都可以使用。在一些实施方式中，例如，本文中描述的制品或织物的热电模块包含偶联至n-型层而提供pn结的p-型层和设置于p-型和n-型层之间的绝缘层。在一些实施方式中，热电模块的p-型层和n-型层包括碳纳米颗粒。
p-型层的碳纳米颗粒，在一些实施方式中，包含富勒烯，碳纳米管，或其混合物。富勒烯，在一些实施方式中，包括1-(3-甲氧基羰基)丙基-l-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其混合物。
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按照范围为约0.1wt％～约30wt％的量包括硼。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按照范围为约5wt％～约25wt％或约10wt％～约20wt％的量包括硼。而且，p-掺杂的单壁碳纳米管和/或p-掺杂的多壁碳纳米管能够包括氧。
p-型掺杂剂能够引入到单壁和/或多壁碳纳米管的晶格中。在一些实施方式中，p-型掺杂剂通过包围单壁和/或多壁碳纳米管的环境外部提供于碳纳米管。正如本文中进一步所述，p-型层的碳纳米管能够设置于聚合物基质中。在一些实施方式中，聚合物基质能够将p-掺杂剂提供于碳纳米管的表面。在一些实施方式中，在聚合物基质将p-掺杂剂提供于碳纳米管的表面的情况下，碳纳米管在引入到聚合物基质之前并未进行p-掺杂。可替换地，碳纳米管在引入到聚合物基质之前包括p-掺杂剂。而且，在一些实施方式中，化学物质还设置于聚合物基质中，如碱金属，能够起到碳纳米管的p-掺杂剂作用。
在一些实施方式中，p-型层的碳纳米颗粒具有高的高径比。正如本文所用的，术语高径比是指碳纳米颗粒长度除以碳纳米颗粒的直径或宽度。在一些实施方式中，p-型层的碳纳米颗粒表现出范围为约1～约106或约10～约100,000的高径比。
p-型层的碳纳米颗粒，包括碳纳米管，在一些实施方式中，具有范围为约1nm～约5mm或约10nm～约1mm的长度。在一些实施方式中，碳纳米颗粒具有范围为约50nm～约500μm的长度。而且，p-型层的碳纳米颗粒能够具有范围为约1nm～约100nm的直径。
在一些实施方式中，p-型层的碳纳米颗粒，包括碳纳米管，设置成垫层型构造或无纺布型构造。
p-型层，在一些实施方式中，按照范围为约0.1wt％～约100wt％的量包括一种或多种本文中描述的碳纳米颗粒物质。在一些实施方式中，p-型层按照至少约2wt％或至少约10wt％的量包含碳纳米颗粒。在一些实施方式中，p-型层按照范围为约2wt％～约50wt％或约5wt％～约15wt％的量包含碳纳米颗粒。
p-型层的碳纳米颗粒负载率能够参照层的所需的塞贝克系数进行选择。例如，在一些实施方式中，范围为5wt％～100wt％的SWNT负载率对p-型层提供了一定范围的塞贝克系数。图3，例如，示出了作为根据本文中描述的一些实施方式的p-型层的聚偏氟乙烯(PVDF)基质的SWNT负载率的函数的塞贝克系数。正如图3中所示，范围为5wt％～100wt％的SWNT负载率对p-型层提供了一定范围的塞贝克系数。p-型层的纳米颗粒负载率，在一些实施方式中，也能够参照所需的渗透阈值(percolationthreshold)进行确定。
p-型层的基质也能够通过碳纳米颗粒与聚合物主体的组合形成。与本发明的目的不矛盾的任何聚合物主体材料都能够用于生产p-型层的聚合物基质。在一些实施方式中，聚合物基质包括半结晶聚合物，包括但不限于，聚氟乙烯(PVF)，聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)，聚偏氟乙烯-四氟乙烯(PVDF-TFE)，聚四氟乙烯(PTFE)，或其混合物或共聚物。用于热电模块的p-型层的PVDF，PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE的半结晶聚合物能够表现出含量增加的β-相。例如，p-型层的PVDF，PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE能够表现出1.5～2.5的β/α相比率。在一些实施方式中，β/α相比率为2～2.5。正如本文中的讨论，β-相结晶能够通过极化技术提供非随机的取向，由此增强用于捕获由织物或制品经受的机械波动或应力产生的电能的聚合物基质的压电和热电性质。
在一些实施方式中，p-型层的聚合物基质包含聚丙烯酸(PAA)，聚甲基丙烯酸酯(PMA)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其混合物或共聚物。聚合物基质也能够包括聚烯烃，包括，但不限于聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯或其混合物或共聚物。
在一些实施方式中，p-型层的聚合物基质包含一种或多种共轭聚合物，包括噻吩如聚(3-己基噻吩)(P3HT)，聚(3-辛基噻吩)(P3OT)，和聚噻吩(PTh)。
在一些实施方式中，p-型层的聚合物基质包含一种或多种半导性聚合物。半导性聚合物能够包括苯撑亚乙烯类，如聚(苯撑乙烯)和聚(p-苯撑乙烯)(PPV)，及其衍生物。在一些实施方式中，半导性聚合物包括聚芴类，聚萘类，及其衍生物。在一些实施方式中，半导性聚合物包括聚(2-乙烯基吡啶)(P2VP)，聚酰胺类，聚(N-乙烯基咔唑)(PVCZ)，聚吡咯(PPy)，和聚苯胺(PAn)。在一些实施方式中，半导性聚合物包括聚[2,6-(4,4-二-(2-乙基己基)-4H-环戊并[2,1-b；3,4-b']二噻吩)-alt-4,7-(2,1,3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)。
p-型层能够具有与本发明的目的不矛盾的任何所需的厚度。p-型层能够具有至少约10nm或至少约100nm的厚度。p-型层，在一些实施方式中，具有至少约500nm或至少约1μm的厚度。在一些实施方式中，p-型层具有范围为约5nm～约50μm的厚度。
在一些实施方式中，p-型层能够具有与本发明的目的不矛盾的任何所需的长度。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-型层具有范围为约1μm～约100mm的长度。
p-型层，在一些实施方式中，在290K的温度下具有至少约5μV/K或至少约10μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，p-型层在290K的温度下具有至少约15μV/K或至少约30μV/K的塞贝克系数。p-型层，在一些实施方式中，在290K的温度下具有范围为约5μV/K～约35μV/K的塞贝克系数。
正如本文中所述，p-型层的塞贝克系数能够根据碳纳米颗粒特性和负载率而变化。例如，p-型层的塞贝克系数能够与p-型层的单壁碳纳米管负载率成反比。
除了至少一个p-型层，本文中描述的热电模块包含至少一个包括多个n-掺杂碳纳米颗粒的n-型层。n-掺杂碳纳米颗粒，在一些实施方式中，包含富勒烯，碳纳米管，或其混合物。富勒烯，在一些实施方式中，包含1-(3-甲氧基羰基)丙基-l-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，多壁碳纳米管或其混合物。
在一些实施方式中，n-型层的碳纳米颗粒，包括碳纳米管，设置成垫层型构造或无纺布格式中。
n-掺杂的单壁碳纳米管和/或n-掺杂的多壁碳纳米管能够按照范围为约0.1wt％～约30wt％的量包括氮。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的纳米管。
n-型掺杂剂能够引入单壁和/或多壁碳纳米管的晶格中。在一些实施方式中，n-型掺杂剂通过包围单壁和/或多壁碳纳米管的环境外部提供给碳纳米管。n-型层的碳纳米管能够设置于聚合物基质中，其中聚合物基质能够将n-掺杂剂提供于碳纳米管的表面。在一些实施方式中，碳纳米管在引入到基质中之前未进行n-掺杂。在其它实施方式中，碳纳米管在引入到基质中之前进行了n-掺杂。
在一些实施方式中，n-型层的n-掺杂碳纳米颗粒具有高的高径比。在一些实施方式中，n-型层的n-掺杂碳纳米颗粒表现出范围为约1～约106的高径比。在一些实施方式中，n-掺杂碳纳米颗粒表现出范围为约10～约100,000的高径比。
n-型层的碳纳米颗粒，包括碳纳米管，在一些实施方式中，具有范围为约1nm～约5mm或约10nm～约1mm的长度。在一些实施方式中，n-掺杂碳纳米颗粒具有范围为约50nm～约500μm的长度。而且，n-型层的碳纳米颗粒，在一些实施方式中，具有范围为约1nm～约100nm的直径。
n-型层能够按照范围为约0.1wt％～约100wt％的量包括本文中描述的n-掺杂碳纳米颗粒的一种或多种物质。在一些实施方式中，n-型层按照至少约2wt％或至少约5wt％的量包含n-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，n-型层按照至少约10wt％的量包含n-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，n-型层按照范围为约2wt％～约50wt％或约5wt％～约15wt％的量包含n-掺杂碳纳米颗粒。正如p-型层一样，n-型层的纳米颗粒负载率能够参照层的所需塞贝克系数进行确定。n-型层的纳米颗粒负载率也能够参照所需的渗透阈值进行确定。
正如本文中所述，n-型层能够进一步包括n-掺杂碳纳米颗粒设置其中的聚合物基质。n-型层的聚合物基质能够包括本文对于p-型层引述的任何聚合物物质。例如，n-型层的聚合物基质能够包括半结晶聚合物，包括，但不限于，聚氟乙烯(PVF)，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)，聚偏氟乙烯-四氟乙烯(PVDF-TFE)，聚四氟乙烯(PTFE)或其混合物或共聚物。用于热电模块的n-型层的PVDF，PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE的半结晶聚合物能够表现出含量增加的β-相。例如，n-型层的PVDF，PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE能够表现出1.5～2.5的β/α比率。在一些实施方式中，β/α比率为2～2.5。正如本文中的讨论，β-相结晶能够通过极化技术提供非随机的取向，由此增强用于获取由通过织物或制品经受的机械波动或应力产生的电能的基质的压电和热电性质。
n-型层能够具有与本发明的目的不矛盾的任何所需的厚度。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-型层具有范围为约5nm～约50μm的厚度。
n-型层能够具有与本发明的目的不矛盾的任何所需的长度。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-型层具有范围为约1μm～约100mm的长度。在一些实施方式中，n-型层具有与毗邻p-型层同延的或基本上同延的长度。
n-型层在290K的温度下也能够具有至少约-5μV/K或至少约-10μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，n-型层在290K的温度下具有至少约-15μV/K或至少约-20μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，n-型层在290K的温度下具有至少约-30μV/K的塞贝克系数。n-型层，在一些实施方式中，在290K的温度下具有范围为约-5μV/K～约-35μV/K的塞贝克系数。
n-型层的塞贝克系数能够根据n-掺杂碳纳米颗粒特性和负载率而变化。例如，n-型层的塞贝克系数能够与n-型层的碳纳米颗粒负载率成反比。
在本文中描述的热电模块的一些实施方式中，包括p-掺杂的和n-掺杂的碳纳米管的碳纳米颗粒能够用一种或多种无机纳米颗粒代替。在一些实施方式中，无机纳米颗粒包括IV族半导体材料，II/VI族半导体材料或III/V族半导体材料或其组合。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。本征无机半导体材料能够提供用于本文中描述的各自p-层和n-层的p-掺杂剂或n-掺杂剂。
本文中描述的热电模块还包含设置于p-型层和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，绝缘层是电绝缘和热绝缘的。在一些实施方式中，热电模块包含设置于多个p-型层和n-型层之间的多个绝缘层。绝缘层能够容许本文中描述的热电模块的p-型层和n-型层排布成堆叠构造。
在一些实施方式中，绝缘层包含一种或多种聚合物材料。与本发明的目的不矛盾的任何聚合物材料能够用于生产绝缘层。聚合物绝缘层能够包括半结晶聚合物，包括，但不限于，聚氟乙烯(PVF)，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)，聚偏氟乙烯-四氟乙烯(PVDF-TFE)，聚四氟乙烯(PTFE)，或其混合物或共聚物。用于热电模块的绝缘层的PVDF，PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE的半结晶聚合物能够表现出含量增加的β-相。例如，绝缘层的PVDF，PVDF-TFE和/或PVDF-TrFE能够表现出1.5～2.5的β/α比率。在一些实施方式中，β/α比率为2～2.5。正如本文中的讨论，β-相结晶能够通过极化技术提供非随机的取向，由此增强绝缘层的压电和热电性质。
绝缘层，在一些实施方式中，包括聚丙烯酸(PAA)，聚甲基丙烯酸酯(PMA)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其混合物或共聚物。在一些实施方式中，绝缘层包含聚烯烃，包括，但不限于聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯或其混合物或共聚物。
聚合物绝缘层也能够包括表现出压电行为的颗粒。例如，聚合物绝缘层能够包括的颗粒有BaTiO3，BiTe颗粒，其它无机压电颗粒或其混合物。BaTiO3颗粒，BiTe颗粒和/或其它无机颗粒能够具有与本发明的目的不矛盾的任何尺寸和/或几何形状。BaTiO3和BiTe颗粒能够表现出范围为20nm～500nm的尺寸分布。而且，压电颗粒能够按照与本发明的目的不矛盾的任何负载率分散于绝缘层的聚合物中。在一些实施方式中，BaTiO3颗粒，BiTe颗粒和/或其它无机压电颗粒都是按照5wt％～80wt％或10wt％～50wt％的量存在于绝缘层中的纳米颗粒。正如本文中所述，绝缘层的压电颗粒能够进行电极化而进一步增强本文中描述的热电模块的压电和/或热电性质。
可替换地，在一些实施方式中，绝缘层能够由无机或陶瓷材料构成。在一些实施方式中，绝缘层由金属氧化物颗粒，包括过渡金属氧化物颗粒构成。合适的金属氧化物颗粒也能够表现出压电行为。在一个实施方式中，例如，绝缘层由能够进行电极化的BaTiO3颗粒构成。
绝缘层能够具有与本发明的目的不矛盾的任何所需的厚度。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，绝缘层具有范围为约5nm～约50μm的厚度。
绝缘层能够具有与本发明的目的不矛盾的任何所需的长度。在一些实施方式中，绝缘层具有基本上与绝缘层设置于其之间的p-型和n-型层的长度一致的长度。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。绝缘层能够具有范围为约1μm～约100μm的长度。
本文中描述的热电模块，在一些实施方式中，包括多个p-型层和多个n-型层。热电模块能够包括与本发明的目的不矛盾的任何数量的p-型层和n-型层。在一些实施方式中，p-型层和n-型层通过绝缘层分隔按照交替模式按序排布成堆叠构造。在一些实施方式中，热电模块包含至少3层p-型层和至少3层n-型层。在一些实施方式中，热电模块包含至少5层p-型层和至少5层n-型层。在一些实施方式中，热电模块包含至少10层p-型层和至少10层n-型层。在一些实施方式中，热电模块包含至少15层p-型层和至少15层n-型层。在一些实施方式中，热电模块包含至少100层p-型层和至少100层n-型层。在一些实施方式中，热电模块包含至少1000层p-型层和至少1000层n-型层。
本文中描述的包括一种或多种p-型层和一种或多种n-型层的热电模块能够能够具有织物的形式。织物是柔性的而容许将热电模块施加于具有不同表面形状和/或形态的各种基底或载体。在一些实施方式中，例如，热电模块施加于弯曲的和/或其它非平面基底。另外，热电模块的柔性织物性质容许模块如本文中图8-10中所示进行弯折。
具有本文中描述的构造结构的热电模块在290K的温度下能够具有至少约25μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，本文中描述的热电模块在290K的温度下具有至少约30μV/K或至少约50μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，本文中描述的热电模块在290K的温度下具有至少约75μV/K或至少约100μV/K的塞贝克系数。本文中描述的热电模块，在一些实施方式中，在290K的温度下具有至少约150μV/K或至少约175μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，本文中描述的热电模块在290K的温度下具有至少约200μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，本文中描述的热电模块在290K的温度下具有范围为约25μV/K～约250μV/K的塞贝克系数。在一些实施方式中，本文中描述的热电模块在290K的温度下具有范围为约50μV/K～约150μV/K的塞贝克系数。
本文中描述的热电模块能够具有至少0.5的ZT。本文中描述的热电模块，在一些实施方式中，具有至少约0.7或至少约0.8的ZT。在一些实施方式中，本文中描述的热电模块具有至少约1或至少约1.5的ZT。在一些实施方式中，本文中描述的热电模块具有范围为约0.5～约2.5，约0.5～约2或约0.8～约1.5的ZT。在一些实施方式中，本文中描述的热电模块具有范围为约1～约1.3的ZT。在一些实施方式中，本文中描述的热电模块具有范围为约1～10的ZT。
VII.制作热电制品的方法
在另一方面中，本文中描述了制作制品的方法。本文中描述的制作制品的方法能够用于制作本文中以上在VI小节中描述的任何制品或织物。
在一些实施方式中，制作制品的方法包括提供热绝缘载体并将热电模块的结构围绕或穿过热绝缘载体而在热绝缘载体的相对两侧面上提供热电模块的外面。热绝缘载体和热电模块结构能够包括本文中以上在VI小节中描述的任何热绝缘载体和热电模块结构。在一些实施方式中，例如，热电模块的结构是连续的。而且，连续结构能够包括偶联至n-型层而形成pn结的p-型层，其中绝缘层部分设置于p-型层和n-型层之间。另外，在一些实施方式中，在热电模块的外面上的p-型层和n-型层基本平行于热绝缘载体的相对两侧面。而且，热绝缘载体能够是织物的一种或多种纤维。
而且，在本文中描述的方法的一些实施方式中，将热电模块的结构围绕或穿过热绝缘载体进一步包括提供基本正交于热电模块的外面中至少之一的一段结构。
另外，在一些实施方式中，本文中描述的方法进一步包括提供一个或多个电连接物并将热电模块电连接于电连接物。电连接物能够包括本文中以上在VI小节中描述的任何电连接物。例如，在一些实施方式中，本文中描述的方法进一步包括，包括通过热绝缘载体的一个或多个电接触部，将热电模块进行并行电连接。
本文中描述的方法的各个步骤能够按照与本发明的目的不矛盾的任何方式进行实施。在一些实施方式中，例如，方法的步骤使用3D打印，压电打印，喷墨打印和挤出打印中的一种或多种进行实施。这种打印方法，例如，能够使用而提供一种或多种如果所需的电连接物。
VIII.产生电能的方法
在另一方面中，本文中描述了产生电能的方法。在一些实施方式中，产生电能的方法包括提供包括热绝缘载体和热电模块的制品，热电模块由围绕或穿过热绝缘载体而在热绝缘载体的相对两侧面上提供热电模块的外面的结构形成。热能通过热电模块吸收而引发横跨热电模块的电压。另外，制品的热电模块，在一些实施方式中，表现出容许响应制品上的机械波动或应力产生电能的压电/热电性质。本文中以上VI小节中描述的任何制品都可以用于本文中描述的方法。
这些和其它的实施方式进一步通过以下非限制性实施例进行举例说明。
实施例1
热电装置
第一p-型层通过提供向其中加入了17.5mL二甲基丙烯酰胺(DMA)的35mg单壁碳纳米管(SWNT)进行制作。所得的混合物进行高能超声处理一小时的一段时间。向混合物中按照基于总固体对混合物赋予SWNT20wt％的量加入聚偏氟乙烯(PVDF)。所得的SWNT/PVDF/DMA混合物进行高能超声处理一个小时。
具有75mm×45mm尺寸的载玻片在甲醇中清洗干净并置于90℃的热板上。SWNT/PVDF/DMA混合物均匀倾倒于载玻片上并容许DMA蒸发。干的SWNT/PVDF膜置于烘箱中在100℃下长达12h进行退火。载玻片随后从烘箱中取出，并将甲醇倾倒于SWNT/PVDF膜上。SWNT/PVDF膜小心地从玻璃载片上移下来，用去离子水洗涤并干燥。
第二p-型层根据前述方法与步骤进行制备。而且，n-型层根据前述方法与步骤进行制备，区别在于n-掺杂碳纳米管与DMA和PVDF进行组合。
两层绝缘层根据以下方法与步骤进行制备。按照0.025mLDMA比1mg聚丙烯粉末的比率将600mg聚丙烯(PP)加入到DMA中。所得的混合物进行超声处理直到PP粉末溶解于DMA中。具有75mm×45mm尺寸的玻璃载片在甲醇中洗净，并放置于90℃的热板上。PP/DMA混合物均匀倾倒于载片上，并容许DMA蒸发。将甲醇倾倒于所得的PP膜上，并将PP膜小心地从玻璃载片上移下来。
两层p-型层，n-型层和两层绝缘层随后偶联而提供如图5中所示的热电装置。所得的热电装置在图5中放大而用于示出装置的各个部件。
本发明的各个实施方式在实现本发明的各个目的中进行了描述。应当认识到的是，这些实施方式仅是本发明原理的举例说明。许多修改及其调整对于本领域技术人员将是显而易见的，而不会脱离本发明的精神和范围。

Claims (57)

1.一种热电装置，包括：
至少一个偶联至至少一个n-型层而提供pn结的p-型层；和
至少部分设置于所述p-型层和所述n-型层之间的绝缘层，所述p-型层包括设置于第一聚合物基质中的碳纳米颗粒而所述n-型层包括设置于第二聚合物基质中的n-掺杂碳纳米颗粒，其中所述第一聚合物基质、第二聚合物基质和绝缘层中至少之一包含电极化聚合物。
2.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述电极化聚合物包含多个非随机取向的电偶极或电偶极域。
3.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述电极化聚合物表现出电偶极场、压电性质、热电性质或其组合。
4.根据权利要求3所述的热电装置，其中所述电偶极场平行或基本平行于所述装置中电流流动的轴线进行取向。
5.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述绝缘层包含电极化压电颗粒。
6.根据权利要求5所述的热电装置，其中所述压电颗粒包括无机颗粒。
7.根据权利要求6所述的热电装置，其中所述无机颗粒包括钛酸钡、碲化铋或其混合物。
8.根据权利要求5所述的热电装置，其中所述压电颗粒分散于聚合物基质之中。
9.根据权利要求8所述的热电装置，其中所述聚合物基质未电极化。
10.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述p-型层、所述n-型层或二者表现出热电场。
11.根据权利要求10所述的热电装置，其中所述热电场平行或基本平行于所述装置中电流流动的轴线进行取向。
12.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述电极化聚合物包括半结晶聚合物。
13.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述电极化聚合物包括氟聚合物。
14.根据权利要求13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、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、聚偏氟乙烯-四氟乙烯或其混合物。
15.根据权利要求14所述的热电装置，其中所述氟聚合物具有的β/α相比率为1.5-2.5。
16.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述p-型层的所述纳米颗粒以5～95wt％的量存在于所述第一聚合物基质之中，而所述n-型层的所述纳米颗粒以5～95wt％的量存在于所述第二聚合物基质之中。
17.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述pn结包括界面过渡区。
18.根据权利要求17所述的热电装置，其中所述界面过渡区包括所述p-型层的碳纳米颗粒和所述n-型层的碳纳米颗粒的异质混合物。
19.根据权利要求1所述的热电装置，包括偶联至多个n-型层提供多个pn结的多个p-型层和至少部分设置于所述p-型层和所述n-型层之间的绝缘层。
20.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、富勒烯或其混合物。
21.根据权利要求20所述的热电装置，其中所述p-型层的碳纳米颗粒包括硼。
22.根据权利要求21所述的热电装置，其中所述硼以范围为约0.1wt％～约30wt％的量存在于所述碳纳米颗粒中。
23.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-掺杂碳纳米颗粒包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯或其混合物。
24.根据权利要求23所述的热电装置，其中所述n-掺杂碳纳米颗粒包含氮。
25.根据权利要求24所述的热电装置，其中所述氮以范围为约0.1wt％～约30wt％的量存在于所述碳纳米颗粒中。
26.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聚合物材料。
27.根据权利要求26所述的热电装置，其中所述电绝缘聚合物材料选自由聚烯烃、聚氟乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-四氟乙烯(PVDF-TFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、或其混合物或共聚物组成的组。
28.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取代而所述n-型层的所述n-掺杂碳纳米颗粒用n-掺杂的无机纳米颗粒取代。
29.根据权利要求15所述的热电装置，具有至少0.5的ZT。
30.一种制作热电装置的方法，包括：
提供至少一个包括设置于第一聚合物基质中的碳纳米颗粒的p-型层；
提供至少一个包括设置于第二聚合物基质中的n-掺杂碳纳米颗粒的n-型层；
将绝缘层布置于所述p-型层和所述n-型层之间；和
将所述p-型层和所述n-型层偶联而提供pn结，
其中所述第一聚合物基质、第二聚合物基质和绝缘层中至少之一进行电极化。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述绝缘层包含电极化的压电颗粒。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述压电颗粒包括无机颗粒。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述无机颗粒包括钛酸钡、碲化铋或其混合物。
34.根据权利要求31所述的方法，其中所述压电颗粒分散于聚合物基质之中。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述聚合物基质未电极化。
36.一种制品，包括：
热绝缘载体；和
热电模块，由围绕或穿过所述热绝缘载体以在所述热绝缘载体的相对两侧面上提供所述热电模块的外面的结构形成。
37.根据权利要求36所述的制品，其中所述热电模块的结构是连续的。
38.根据权利要求37所述的制品，其中连续的所述结构包括偶联至n-型层而形成pn结的p-型层，其中绝缘层部分设置于所述p-型层和所述n-型层之间。
39.根据权利要求38所述的制品，其中在所述热电模块的外面上的p-型层和n-型层基本平行于所述热绝缘载体的相对两侧面。
40.根据权利要求36所述的制品，其中所述热绝缘载体是织物的一种或多种纤维。
41.根据权利要求36所述的制品，其中围绕或穿过所述绝缘载体的一段所述热电模块结构基本正交于所述热电模块外面中的至少一个。
42.根据权利要求37所述的制品，其中连续的所述结构是导电性的。
43.根据权利要求36所述的制品，其中所述热电模块并行电连接的。
44.一种织物，包括：
一种或多种纤维；和
热电模块，由围绕或穿过所述纤维而在所述纤维的相对两侧面上提供所述热电模块的外面的结构形成。
45.根据权利要求44所述的织物，其中所述热电模块的结构是连续的。
46.根据权利要求45所述的织物，其中连续的所述结构包括偶联至n-型层而形成pn结的p-型层，其中绝缘层部分设置于所述p-型层和所述n-型层之间。
47.根据权利要求46所述的织物，其中在所述热电模块的外面上的p-型层和n-型层基本平行于所述纤维的相对两侧面。
48.一种制作制品的方法，包括：
提供热绝缘载体；和
将热电模块的结构围绕或穿过所述热绝缘载体而在所述热绝缘载体的相对两侧面上提供所述热电模块的外面。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述热电模块的结构是连续的。
50.根据权利要求49所述的方法，其中连续的所述结构包含偶联至n-型层而形成pn结的p-型层，其中绝缘层部分设置于所述p-型层和所述n-型层之间。
51.根据权利要求50所述的方法，其中在所述热电模块的外面上的p-型层和n-型层基本平行于所述热绝缘载体的相对两侧面。
52.根据权利要求48所述的方法，其中所述热绝缘载体是织物的一种或多种纤维。
53.根据权利要求48所述的方法，其中将所述热电模块的结构围绕或穿过所述热绝缘载体进一步包括提供基本正交于所述热电模块外面中至少之一的一段结构。
54.根据权利要求49所述的方法，其中连续的所述结构是导电性的。
55.根据权利要求48所述的方法，进一步包括并行电连接所述热电模块。
56.一种生产电能的方法，包括：
提供包括热绝缘载体和热电模块的制品，所述热电模块由围绕或穿过所述热绝缘载体而在所述热绝缘载体的相对两侧面上提供所述热电模块的外面的结构形成；和
沿着所述热电模块诱导温度梯度而产生电压。
57.根据权利要求56所述的方法，进一步包括使所述制品经受一种多种机械应力而通过所述热电模块的压电响应产生电压。
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