CN113519072A - 辐射阻热材料 - Google Patents

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CN113519072A CN201980091077.5A CN201980091077A CN113519072A CN 113519072 A CN113519072 A CN 113519072A CN 201980091077 A CN201980091077 A CN 201980091077A CN 113519072 A CN113519072 A CN 113519072A
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尼古拉·加斯帕林
乔尔·罗伯特·特劳顿
丹尼尔·托马斯·詹姆斯·布莱恩特
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Abstract

实施例包括包含一种或多种非富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分的辐射阻热材料。实施例还包括包含透明光伏器件的窗，该透明光伏器件被配置为透射可见光并吸收红外辐射，其中光伏器件的活性层包含辐射阻热材料。实施例还包括基于辐射阻热材料的其他器件。

Description

辐射阻热材料
背景技术
到达地球表面的太阳电磁辐射主要包括电磁波谱的紫外、可见和红外区域的辐射。对于对人眼可见透明的材料，通常不应吸收电磁光谱“可见”区域(约400-700nm)中的光。此外，与紫外线区域相比，太阳的光谱输出在红外线区域可以收集更多的能量，近红外和红外辐射是暴露在阳光直射下的物体所经历的大部分辐射加热的原因。
传统的阻热窗依赖于涂覆在玻璃上的膜以试图阻挡尽可能多的光谱的近红外部分(780-2500nm)。商业上最常用的两种方法是基于热解涂层玻璃(掺氟氧化锡，FTO，涂层)或使用交替的银和绝缘体薄层。这些在工业上被称为Low-E和太阳能控制玻璃，并被广泛制造和商业部署。然而，仍然可以改进透过这种传统阻热膜的光谱照射度，以更大程度地降低热传递到封闭空间，例如建筑物和其他类型的住宅。此外，传统薄膜均未集成到光伏器件中以实现阻热和发电，同时还允许可见光通过。虽然一些其他基于有机材料的光伏器件(以及更传统的基于硅、CdTe和其他材料的光伏器件)可能会吸收红外辐射，但它们无法表现或保持高可见光透明度。其他传统光伏器件会吸收该可见光区域的光，由于透明度的降低令人无法接受，因此它们不适合用于窗。
因此，希望提供一种材料，该材料能够透射可见光以提供透明性，同时还能够吸收红外辐射以减少热透射并且可选地如果结合到光伏器件中则能够发电。
发明内容
一般而言，本公开的实施例描述了辐射阻热材料、基于辐射阻热材料的器件等。
本公开的实施例描述了一种包含一种或多种非富勒烯组分和一种或多种空穴清除组分的辐射阻热材料，其中该阻热材料透射可见光并吸收红外辐射。
本公开的实施例进一步描述了一种阻热窗，其包括沉积在窗上并被配置为透射基本上可见光并基本上吸收红外辐射的辐射阻热材料，其中辐射阻热材料包括一种或多种非-富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分。
本公开的实施例是一种包括制作在窗上的光伏器件的阻热窗，其中所述光伏器件包括作为活性层的辐射阻热材料，其中所述辐射阻热材料包括一种或多种非富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分，其中阻热活性材料被配置为透射基本上可见光并且基本上吸收红外辐射，其中被吸收的红外辐射被光伏器件使用以发电。在本发明的一实施例中，光伏器件包括第一电极材料、作为活性层的辐射阻热材料以及第二电极材料。在本发明的一实施例中，光伏器件包括基板、第一电极材料、第一选择性接触层、作为活性层的辐射阻热材料、第二选择性接触层以及第二电极材料。
本公开的实施例描述了一种制备辐射阻热材料的方法，包括在足以形成共混溶液的溶剂中接触一种或多种非富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分；并将混合溶液沉积在载体上。
本公开的实施例描述了一种制造光伏器件的方法，包括在的第一材料上沉积混合溶液(例如，辐射阻热材料)足以形成活性层，其中混合溶液包括一种或多种非-富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分；在活性层上沉积第二材料，其中第一材料和第二材料位于活性层的相对侧。
本公开的实施例描述了使用光伏器件的方法，包括照射包含辐射阻热材料的光伏器件的表面，其中辐射阻热材料包含一种或多种非富勒烯组分和可选的一种或更多的空穴清除组分；并将光转化为电或电转化为光。
在以下描述中阐述一个或多个示例的细节。从描述和权利要求中，其他特征、目的和优点将是清楚的。
附图说明
本书面公开描述了非限制性和非穷尽性的说明性实施例。在不一定按比例绘制的附图中，相同的数字在几个视图中描述了基本相似的组件。具有不同字母后缀的相同数字代表基本相似组件的不同示例。附图通过示例而非限制的方式大体示出了本文件中讨论的各种实施例。
参考附图中描绘的说明性实施例，其中：
图1是根据本公开的一个或多个实施例的制造光电器件的活性层的方法的方法的流程图。
图2是根据本公开的一个或多个实施例的光电器件的示意图。
图3是根据本公开的一个或多个实施例的光电器件的示意图，示出了光电器件的各种可选层。
图4是根据本公开的一个或多个实施例的制造光电器件的方法的流程图。
图5是根据本公开的一个或多个实施例的使用包括本公开的活性层的光电器件的方法的流程图。
图6是根据本公开的一个或多个实施例的光通过各个层的透射率及其在紫外(UV)到近红外光谱中与器件全堆叠的比较的曲线图。
图7是根据本公开的一个或多个实施例，示出器件全堆叠的透射率与在UV-近红外光谱中具有相当的平均可见光透明度或透射率(AVT)的市售Low-E玻璃比较的曲线图。
图8是根据本公开的一个或多个实施例，示出美国测试与材料协会(ASTM)G173-03空气质量1.5(或“AM1.5”)参考光谱[NREL]的光谱照射度对波长的曲线图，其中AM0代表太阳存在于地球大气层上方的光谱，AM1.5Global表示存在于海平面上且太阳正位于头顶的太阳光谱，AM1.5Direct除了从围绕太阳2.5度的圆盘发出的光还考虑了AM1.5Global，这是本文的重点。
图9是根据本公开的一个或多个实施例，示出AM1.5G在通过市售Low-E玻璃和“器件全堆叠”在光谱的近红外部分衰减后的光谱照射度的曲线图，其中降低的透射等同于更大程度阻热。
图10是根据本公开的一个或多个实施例，示出稀释的有机活性层在523小时的过程中经受连续温度应力(80摄氏度)时随时间的吸收强度的曲线图，其中在该时间范围峰值吸收发生2.4％的下降。
图11是示出根据本公开的一个或多个实施例的倒置有机太阳能电池的构造的示意图。
图12是根据本公开的一个或多个实施例的用作光活性层的供体/受体材料的化学式的示意图。
图13是示出根据本公开的一个或多个实施例的包含非富勒烯组分的单组分光敏层的电流密度-电压(J-V)特性的曲线图。
图14是根据本公开的一个或多个实施例的包含1:10的空穴清除组分与非富勒烯组分的比率的稀释的系统的曲线图。
图15是根据本公开的一个或多个实施例，稀释的PTB7-th:IEICO-4F共混物与人眼对AVT的敏感性相比的UV-可见光(Vis)图的曲线图，其中PTB7-Th是聚([2,6'-4,8-二(5-乙基己基噻吩基)苯并[1,2-b；3,3-b]二噻吩]{3-氟-2[(2-乙基己基)羰基]噻吩并[3,4-b]噻吩二基})并且IEICO-4F是2,2'-((2Z,2'Z)-(((4,4,9,9-四基(4-己基苯基)-4,9-二氢-s-苯并二茚并[1,2)-b:5,6-b']二噻吩-2,7-二基)双(4-((2-乙基己基)氧基)噻吩-5,2-二基))双(亚甲基亚基))双(5,6-二氟-3-氧代-2,3-二氢-1H-茚-2,1-二亚甲基))二丙二腈(IEICO-4F)。
图16是根据本公开的一个或多个实施例的稀释的PTB7-th:IEICO-4F共混物与人眼对透明度的敏感性相比的的UV-Vis图曲线图。
图17是根据本公开的一个或多个实施例，具有三个互连子电池的太阳能模块的光学显微照片，其中左边的插图表示互连区域的光学放大，其中突出显示激光线P1、P2和P3，并且其中还突出显示模块的光无效区域(死区，蓝色)和总面积(黄色)。
图18是根据本公开的一个或多个实施例的在曝光过程中基于1:2和1:10D/A的太阳能电池的归一化功率转换效率(PCE)的曲线图。
图19A-19B是根据本公开的一个或多个实施例，示出(A)二元和三元器件在1个太阳光照下的电流-电压特性的曲线图；(B)在80℃惰性条件下降解的二元和三元器件随时间变化的归一化PCE。
图20是示出根据本公开的一个或多个实施例的基于稀释的有机系统的单结和多结太阳能电池的电流-电压响应和统计的曲线图。
图21是根据本公开的一个或多个实施例的串联太阳能电池的示意图。
具体实施方式
本公开涉及辐射阻热材料、基于辐射阻热材料的装置等。辐射阻热材料可用于防止或减少辐射热传递，其中热能以电磁波的形式通过介质传递。例如，辐射阻热材料可以吸收电磁波谱的红外区域(例如，近红外区域)中的光，以防止红外辐射穿过材料并加热其他物体。辐射阻热材料可以吸收红外光，同时还可以透射电磁光谱可见区的光。因此，辐射阻热材料可以阻隔辐射热传递，同时还保持较高的视觉透明度。
辐射阻热材料也可以用光敏材料制备并集成到光伏器件中。通过以这种方式将阻热材料集成为活性层，可以制造出不仅吸收红外辐射和透射可见光，而且还可以收集阻热材料吸收的红外辐射以发电的光伏器件。与传统材料和器件不同，集成了阻热材料的光伏器件可以保持高可见光透明度，同时还实现了高功率转换效率和显著降低通过器件的热传输。这些光伏器件为新的应用提供了机会。例如，它们可以制造在窗上，这样太阳的近红外辐射就不是仅仅通过并加热封闭空间(例如，在建筑物中)。相反，它被吸收并用于发电，同时让自然可见光照亮空间。
定义
下面列举的术语已经定义如下。本公开中的所有其他术语和短语应根据本领域技术人员所理解的它们的普通含义来解释。
如本文所用，术语“非富勒烯组分”通常是指除富勒烯之外的任何材料，其通常用于常规材料中。
如本文所用，术语“空穴清除组分”通常是指促进从例如非富勒烯组分中提取电荷的任何材料。
如本文所用，“可见光”是指在电磁波谱的可见光区具有任何波长或频率的电磁辐射。电磁波谱区域(例如，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线等)之间和内部的边界没有由例如普遍同意的标准精确定义。因此，本领域已知的任何公认的、接受的或合理的波长或频率范围可用于表征或描述“可见光”。例如，“可见光”的特征在于波长范围从约380nm到约700nm，或者在约380nm和约700nm之间的任何值或增量范围。
如本文所用，“红外辐射”是指波长或频率在电磁光谱的红外区域内的电磁辐射。电磁波谱区域之间和内部的边界(例如，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线等)通常没有得到普遍认可，并且可以根据例如，使用的标准。因此，本领域已知的任何公认的、可接受的或合理的波长或频率范围都可用于表征或描述“红外辐射”。例如，“红外辐射”的特征在于波长范围从约700nm到约3000nm，或者在约700nm和约3000nm之间的任何值或增量范围。红外辐射也可以在红外区域内分成更小的区域。因此，术语“红外辐射”可包括但不限于本领域已知的近红外、短波长红外、中波长红外、长波长红外、远红外或其组合的区域。
如本文所用，术语“比率”包括摩尔比、质量比、体积比和本领域已知的用于描述材料量的任何其他比率。
如本文所用，“接触”是指触及、接触或立即或紧密接近的行为，包括在细胞或分子水平，例如，以引起生理反应、化学反应或物理变化，例如在溶液中、反应混合物中、体外或体内。因此，添加、搅拌、处理、翻滚、振动、摇动、混合和施加是为了将两个或更多组分放在一起的接触形式。
如本文所用，“沉积”是指布置、印刷(例如喷墨印刷)、刮刀涂布、棒涂、狭缝涂布、喷涂、生长、蚀刻、掺杂、外延、热氧化、溅射、浇铸、沉积(例如化学气相沉积、物理气相沉积等)、旋涂、蒸发、施加、处理和本领域技术人员已知的任何其他技术和/或方法。
如本文所用，“照射”是指暴露于辐射。辐射可以包括电磁波谱上的任何波长、频率或其范围。例如，照射可以指暴露于近红外辐射。
如本文所用，“转换”是指用于转换能量的任何过程。
辐射阻热材料
本公开的实施例描述了辐射阻热材料，其可以作为阻热涂层或膜施加在基板上、集成到光伏器件中作为活性层等。一般来说，辐射阻热材料吸收红外辐射，红外辐射可以收集用于发电，同时还透射可见光，从而保持较高的视觉透明度。在某些实施例中，红外辐射，例如近红外，可以是电磁波谱中由于至少两个原因被瞄准和吸收的区域。首先，红外辐射是暴露在阳光下的物体的大部分辐射加热的主要原因。因此，阻挡以红外线辐射形式的热量会导致热传输的显著降低。其次，到达地球表面的大部分太阳电磁辐射是红外辐射。例如，太阳的光谱输出可以分配如下：大约52％到55％的红外线(其中大部分是地球表面的近红外线)，大约42％到43％的可见光，以及大约3％到5％的紫外线。因此，从红外辐射或近红外辐射中可以获得比从紫外线或可见光中获得的能量更多的能量。红外区域因此被吸收，可见区域通过材料透射。在其他实施例中，除可见光和红外辐射以外的其他波长的光可以分别被传输和吸收。
辐射阻热材料可包含一种或多种非富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分。非富勒烯组分可以是透明的双极材料，其能够在没有供体材料的情况下透射可见光和/或产生电子空穴/自由电荷。一种或多种非富勒烯组分单独使用就足够了，无需任何空穴清除组分，因此可以原样使用。在一些情况下，可能需要将一种或多种非富勒烯组分与一种或多种空穴清除组分组合以例如提高功率转换效率(PCE)。在这些情况下，可以添加空穴清除组分作为“空穴清除剂”，促进从非富勒烯组分中提取电荷并改善各种光伏参数(例如，填充因子(FF)、短路电流密度(JSC)、PCE等)。由于空穴清除组分在一些情况下与非富勒烯组分组合时会降低辐射阻热材料的透明度(例如，通过吸收至少一些可见光)，因此可以添加相对于非富勒烯组分的含量较低的空穴清除组分，使得辐射阻热材料和/或光伏器件保持高视觉透明度。
在本公开的一个或多个实施例中，阻热层可以作为单组分系统提供，或者作为稀释的有机系统提供，其中一种或多种非富勒烯组分与一种或多种空穴清除剂组分结合。在一个实施例中，提供了一种单组分系统，其中阻热材料包含非富勒烯组分，无需空穴清除组分。在另一个实施例中，提供了二元稀释系统，其中辐射阻热材料包含非富勒烯组分和空穴清除组分。在又一实施例中，提供三元稀释系统，其中辐射阻热材料包含非富勒烯组分、第一空穴清除组分和第二空穴清除组分，其中第一空穴清除组分和第二空穴清除组分不同。在又一个实施例中，辐射阻热材料包含第一非富勒烯组分、不同于第一非富勒烯组分的第二非富勒烯组分和空穴清除组分。这些是作为示例提供的并且不应是限制性的。在不脱离本公开的范围的情况下，这里可以使用高阶系统。
当一种或多种非富勒烯组分与一种或多种空穴清除组分组合以形成稀释的有机系统——例如二元稀释系统和三元稀释系统——可以调整一种或多种空穴清除组分与一种或多种非富勒烯组分的比率以保持透明度，以及调整光伏器件的PCE。在一些实施例中，一种或多种空穴清除组分与一种或多种非富勒烯组分的比率可在约0:1至约1:25的范围内。例如，一种或多种空穴清除组分与一种或多种非富勒烯组分的比率可为约0:1、约1:1、约1:2、约1:3、约1:4、约1:5、约1:6、约1:7、约1:8、约1:9、约1:10、约1:11、约1:12、约1:13、约1:14、约1:15、约1:16、约1:17、约1:18、约1:19、约1:20、约1:21、约1:22、约1:23、约1:24、约1:25、大于约1:25或其任何增量。在一个实施例中，一种或多种空穴清除组分与一种或多种非富勒烯组分的比率可以在约0:1至约1:5的范围内。
非富勒烯组分可以选自小分子、低聚物、聚合物、交联元结构及其组合。合适的非富勒烯组分的示例包括但不限于，罗丹宁-苯并噻二唑-偶联的茚二噻吩(IDTBR)(rhodanine-benzothiadiazole-coupled indacenodithiophene)；茚二噻吩并[3,2-b]噻吩，IT)(indacenodithieno[3,2-b]thiophene,IT))，以2-(3-氧代-2,3-二氢茚-1-亚基)丙二腈(INCN)基团(ITIC)封端(end-capped with 2-(3-oxo-2,3-dihydroinden-1-ylidene)malononitrile(INCN)groups(ITIC))；茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩(indaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophene)和2-(3-氧代-2,3-二氢茚-1-亚基)丙二腈(IEIC)(2-(3-oxo-2,3-dihydroinden-1-ylidene)malononitrile(IEIC))；2,2'-((2Z,2'Z)-((5,5'-(4,4,9,9-四基(4-己基苯基)-4,9-二氢-s-苯并二茚并[1,2)-b:5,6-b']二噻吩-2,7-二基)双(4-((2-乙基己基)-氧基)噻吩-5,2-二基))双(亚甲基亚基))双(3-氧)-2,3-二氢-1H-茚-2,1-二亚甲基))二丙二腈(IEICO)(2,2′-((2Z,2′Z)-((5,5′-(4,4,9,9-tetrakis(4-hexylphenyl)-4,9-dihydro-s-indaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophene-2,7-diyl)bis(4-((2-ethylhexyl)-oxy)thioph ene-5,2-diyl))bis(methanylylidene))bis(3-oxo-2,3-di-hydro-1H-indene-2,1-di ylidene))dimalononitrile(IEICO))；萘二亚胺(NDI)(naphthalene diimide)；湾联苝双酰亚胺(di-PBI)(bay-linked perylene bisimide)；苝双酰亚胺(PBI,(perylene bisimide)；用噻唑烷-2,4-二酮(TD)封端的含苯并三唑(Benzotriazole-Containing End-Capped with Thiazolidine-2,4-dione(TD))；萘酞菁(NC)(Naphthalocyanine)；酞菁(PC)(Phthalocyanine)；萘并[1,2-c:5,6-c']双[1,2,5]噻二唑(Naphtho[1,2-c:5,6-c′]bis[1,2,5]thiadiazole)；(2E,2'E)-3,3'-(2,5-二甲氧基-1,4-亚苯基)双(2-(5-(4-(N-(2-乙基己基))-1,8-萘二甲酰亚胺)基)噻吩-2-基)丙烯腈)(NIDCS-MO)(2E,2′E)-3,3′-(2,5-dimethoxy-1,4-phenylene)bis(2-(5-(4-(N-(2-ethylhexyl)-1,8-naphthalimide)yl)thiophen-2-yl)acrylonitrile)(NIDCS–MO)；噻吩并[3,4-b]噻吩和2-(1,1-二氰基亚甲基)罗丹宁组合(ATT-1)(thieno[3,4-b]thiopheneand 2-(1,1-dicyanomethylene)rhodanine combination(ATT-1))；(3,9-双(4-(1,1-二氰基亚甲基)-3-亚甲基-2-氧代-环戊二烯[b]噻吩)-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二噻吩[2,3-d':2,3-d']-s-苯并二茚并[1,2-b:5,6-b']-二噻吩(ITCC)((3,9-bis(4-(1,1-dicyanomethylene)-3-methylene-2-oxo-cyclopenta[b]thiophen)-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d′:2,3-d′]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b′]-dithiophene(ITCC))；茚二酮(Indanedione)；双氰基乙烯基(Dicyannovinyl)；苯并噻二唑(Benzothiadiazole)；二酮吡咯并吡咯(Diketopyrolopyrrole)；亚芳基二亚胺(arylenediimide)；和IDIC中的一种或多种。
空穴清除组分也可以选自小分子、低聚物、聚合物、交联的超结构、以及它们的组合。合适的空穴清除组分的示例包括但不限于噻吩、并苯、氟、咔唑、茚二噻吩噻吩、茚并噻吩噻吩、苯并二噻唑、噻吩-苯并二噻吩-二酮、苯并三唑和吡咯并二酮中的一种或多种。
一种或多种非富勒烯组分和一种或多种空穴清除组分可以融合或混合以形成辐射阻热材料。辐射阻热材料的厚度可以在从纳米到厘米范围的长度尺度上。例如，在一个实施例中，辐射阻热材料的厚度可以在从大约1nm到大约10cm的范围内。在一个实施例中，辐射阻热材料的厚度可以在约1nm至约500μm的范围内。在一个实施例中，辐射阻热材料的厚度可以在从大约1nm到大约1000nm的范围内。在其他实施例中，活性层的厚度可以小于约1nm。可以通过多种制造技术(例如，大规模制造技术)来实现辐射阻热材料的沉积或涂覆。制造技术可包括真空沉积、卷对卷、片对片、槽模涂布、刮刀涂布、凹版印刷、喷涂、旋涂、滴铸、柔版印刷和棒涂中的一种或多种。在许多实施例中，可以使用沉积和/或涂覆技术来实现辐射阻热材料的期望厚度。
在实施例中，辐射阻热材料(或光伏器件)具有至少约30％的平均可见光透明度(AVT)。例如，在某些实施例中，辐射阻热材料可具有约30％或更高、约35％或更高、约40％或更高、约45％或更高、约50％或更高、约55％或更高、约60％或更高、约65％或更高、约70％或更高、约75％或更高、约80％或更高、约85％或更高，或约90％或更高的ab AVT。在实施例中，辐射阻热材料具有约25％至约100％范围内，或约25％至约100％之间的任何值或增量范围的AVT。
制备辐射阻热材料的方法
图1是根据本公开的一个或多个实施例的制备辐射阻热材料的方法100的流程图。如图1所示，方法100包括在足以形成混合溶液的溶剂里接触101一种或多种非富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分；并且可选地将混合溶液沉积102在载体上。
在步骤101，一种或多种非富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分可以在足以形成混合溶液的溶剂里接触。接触可以通过使一种或多种非富勒烯组分、可选的空穴清除组分和溶剂物理接触或至少直接或紧密接近来进行。接触可以通过混合、掺合、搅拌、添加和溶解等技术进行。例如，在一个实施例中，非富勒烯组分与溶剂接触以形成溶液。在另一个实施例中，非富勒烯组分和空穴清除组分在溶剂中接触以形成混合溶液。在另一个实施例中，非富勒烯组分、第一空穴清除组分和不同于第一空穴清除组分的第二空穴清除组分在溶剂中接触以形成混合溶液。在另一个实施例中，第一非富勒烯组分、不同于第一非富勒烯组分的第二非富勒烯组分和空穴清除组分在溶剂中接触以形成混合溶液。
一种或多种非富勒烯组分和/或一种或多种空穴清除组分可包括本文所述的任何非富勒烯组分和空穴清除组分。在溶剂里接触的一种或多种空穴清除组分和/或一种或多种非富勒烯组分的量可以通过一种或多种空穴清除组分与一种或多种非富勒烯组分的比率来定义。一种或多种空穴清除组分与一种或多种非富勒烯组分的比率可以在约0:1至约1:25的范围内。例如，该比例可以是约0:1、约1:1、约1:2、约1:3、约1:4、约1:5、约1:6、约1:7、约1:8、约1:9、约1:10、约1:11、约1:12、约1:13、约1:14、约1:15、约1:16、约1:17、约1：18、约1:19、约1:20、约1:21、约1:22、约1:23、约1:24、约1:25、大于约1:25或其任何增量。在一个实施例中，一种或多种空穴清除组分与一种或多种非富勒烯组分的比率范围为约1:5至约0:1。
溶剂可以包括适合于溶解或混合一种或多种非富勒烯组分和一种或多种可选的空穴清除组分的任何溶剂。例如，溶剂可包括有机溶剂、无机溶剂、水性溶剂、极性溶剂和非极性溶剂中的一种或多种。在一个实施例中，溶剂是有机溶剂。在一个实施例中，溶剂是二甲苯、四氢化萘、均三甲苯、氯仿、氯苯和二氯苯中的一种或多种。本公开的至少一个益处是溶剂可以是环境友好的溶剂或绿色化学溶剂。此类溶剂的示例包括但不限于二甲苯、四氢化萘和均三甲苯中的一种或多种。
在步骤102，混合溶液可以可选地沉积在载体上。沉积可包括但不限于涂覆、浇铸和沉积中的一种或多种。例如，沉积可以包括印刷、刮刀涂布、旋涂、刮刀涂布、喷涂、棒涂、槽模涂布、刮刀涂布、辊涂、线棒涂布、和浸涂。在一实施例中，沉积包括旋涂。例如，可以调节旋涂装置的速度(例如，每分钟转数(rpm))以获得不同厚度的共混溶液并因此获得不同厚度的辐射阻热材料。例如，混合溶液可以以约100rpm至约5000pm的速度沉积。在另一个实施例中，混合溶液以约300rpm至约2000rpm的速度沉积。在又一个实施例中，沉积可以包括可标以尺度的过程，例如刮刀涂布。混合溶液和/或辐射阻热材料的厚度可以在从纳米到厘米范围内的长度尺度上。
可将混合溶液沉积在透明或基本透明的载体上。载体没有特别限制并且混合溶液沉积在其上的特定载体可取决于应用。例如，载体可以选自光伏器件的基板和层。在一些实施例中，混合溶液可以沉积在选自透明或基本上透明基板的基板上，例如PET、聚碳酸酯和石英等材料等其他材料。在其他实施例中，沉积步骤可以执行一次或多次足以形成光伏器件的所有层或至少一些层。在一个实施例中，透明基板是玻璃窗。在一个实施例中，光伏器件的层是电极材料(例如，第一电极材料和/或第二电极材料)。在一个实施例中，光伏器件的层是选择性接触层(例如，第一选择性接触层和/或第二选择性接触层)。在一个实施例中，光伏器件的层是基板层，其可以是涂覆的或未涂覆的基板层。例如，在一个实施例中，基板层是涂覆有氧化铟锡的玻璃。在一个实施例中，基板层是涂有掺氟氧化锡的玻璃。其他示例在本文别处提供并且也是本领域已知的。
在一个实施例中，所述方法可以包括制备混合溶液，其中混合溶液包括一种或多种非富勒烯组分和一种或多种溶解在有机溶剂中的空穴清除组分(例如，环境友好或绿色化学溶剂)。在一个实施例中，所述方法可以包括洗涤基板。例如，基板可以用清洁剂水、去离子水、丙酮和异丙醇中的一种或多种洗涤。在一个实施例中，洗涤可以包括在超声波浴中洗涤指定的时间段。在一个实施例中，所述方法可以包括制备第一或第二选择性接触层的前体溶液。在一个实施例中，所述方法可以包括处理基板。例如，基板可经受UV-臭氧处理。在一个实施例中，第一或第二选择性接触层的前体溶液可以旋涂到基板和/或包括基板和第一和/或第二选择性接触层的复合材料上。在一个实施例中，所述方法包括加热沉积的前体溶液。在一个实施例中，所述方法包括在光电子器件的任何层上旋涂混合溶液。在一个实施例中，所述方法可以包括通过热蒸发来沉积层。
作为光伏器件的活性层的辐射阻热材料
本公开的实施例描述了包含辐射阻热材料作为活性层的光伏器件。本公开的任何辐射阻热材料均可用于本文。例如，可以将一种或多种非富勒烯组分和可选的空穴清除组分添加或组合以获得光伏器件的本体异质结，其提供阻热和发电益处。特别地，活性层可以通过吸收红外辐射(例如，近红外)以防止其穿过光伏器件并加热另一环境或物体，同时允许可见光自由穿过层和器件。然后，光伏器件可以收集活性层吸收的红外辐射并用它来发电，同时保持高功率转换效率。在其他实施例中，活性层可以吸收第一波长或波长范围的电磁辐射并透射第二波长或波长范围的电磁辐射。
图2是根据本公开的一个或多个实施例的光伏器件200的示意图。如图2所示，光伏器件200包括第一电极材料203、作为活性层207的辐射阻热材料和第二电极材料211。活性层207可以设置在第一电极材料203和第二电极材料211之间。例如，在一个实施例中，活性层207可以与第一电极材料203的表面和第二电极材料211的表面接触，其中第一电极材料203和第二电极材料材料211在活性层207的相对侧上。在一些实施例中，光伏器件200可以可选地进一步包括基板201(未示出)、第一选择性接触层205(未示出)和第二选择性接触层209(未示出)中的一个或多个。此外或替代地，在一些实施例中，使用叉指电极(未示出)。
图3是根据本公开的一个或多个实施例的光伏器件300的示意图。如图3所示，光伏器件300可以包括基板301、第一电极材料303、第一选择性接触层305、作为活性层307的辐射阻热材料、第二选择性接触层309和第二电极材料311。基板301、第一选择性接触层305和第二选择性接触层309中的每个都是可选的，因此可以从光伏器件300中排除。活性层307通常设置在第一电极材料303和第二电极材料311之间。在一个实施例中，第一选择性接触层305位于第一电极材料303和活性层307之间并与之接触。在一个实施例中，第二选择性接触层309位于第二电极材料311和活性层307之间并与之接触。在一个实施例中，基板301与第一选择性接触层305或第二选择性接触层309接触，否则会暴露在环境中。在一个实施例中，光伏器件可以被配置为基板/第一电极材料/第一选择性接触层/活性层/第二选择性接触层/第二电极材料。此外或替代地，在一些实施例中，可以使用叉指电极(未示出)。
辐射阻热材料或活性层307可包括本公开的任何辐射阻热材料。例如，辐射阻热材料可以是透明的或基本透明的和/或透射可见光并吸收红外辐射。辐射阻热材料可包含一种或多种非富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分，如在本公开的别处更详细描述的。
电极材料可以包括第一电极材料303和第二电极材料311中的一个或多个。第一电极材料303和/或第二电极材料311可以是透明的或基本上透明的。在一个实施例中，第一电极材料303和第二电极材料311中的至少一个是透明的或基本上透明的。在一个实施例中，第一电极材料303和第二电极材料311是透明的或基本透明的。在第一电极材料303和第二电极材料311(以及可选的其他层)是透明的并且与本公开的活性层307结合的实施例中，整个光伏器件可以在人眼可见的范围内表现出高透明度(即“透明”光伏器件)。
在一个实施例中，第一电极材料303或第二电极材料311可以是高功函数导电电极，而另一电极材料可以是低功函数导电电极。例如，阴极可包含高功函数金属或金属氧化物和/或阳极可包含低功函数金属。在这些实施例中，光伏器件(例如，有机太阳能电池)的特征可在于包括倒置的构造。在其他实施例中，光伏器件的特征可在于包括非倒置构造(例如，常规或正常构造)。因此，第一电极材料303和第二电极材料311可以基于光伏器件的架构(例如，基于倒置配置和非倒置配置)来选择。
第一电极材料303和/或第二电极材料311可各自独立地选自掺杂氧化物、金属导体、导电聚合物、碳基导体及其组合。
掺杂氧化物可以包括具有高浓度自由电子的任何材料。例如，掺杂氧化物可以选自金属氧化物半导体和导体。在一个实施例中，掺杂氧化物可以选自铟掺杂氧化锡(ITO)、氟化物掺杂氧化锡(FTO)、铝掺杂氧化锌(AZO)和In2O3。
金属导体可以包括具有关于电荷选择性接触层的HOMO/LUMO的互补功函数的任何金属，从而允许例如有利的层之间的电子或空穴转移。金属导体可以是实心、网格和丝网阵列中的一种或多种。在许多实施例中，金属导体包括银、金、铝、铜、钛、锌、钢和铬中的一种或多种。
导电聚合物可以包括具有高导电性和/或透明性的任何材料。例如，导电聚合物可包括PEDOT:PSS。
碳基导体可以包括石墨烯、炭黑、石墨、碳纳米管和碳纳米线中的一种或多种。例如，在一些实施例中，碳基导体包括单壁碳纳米管、单壁碳纳米线、多壁碳纳米管和多壁碳纳米线中的一种或多种，其中碳单壁或多壁纳米管或纳米线结构在一维上足够窄以允许高光学透明度同时保持高导电性。墨中碳纳米管和纳米线的典型浓度范围在约0.001％和约1％之间，但通常可以是按重量计约0.1％。在石墨烯、氧化石墨烯和石墨的情况下，碳原子层的数量应该足够低，以在保持高导电性的同时实现高光学透明度。层厚度通常在约1至约10个原子厚的范围内，优选约1个。这些碳片的尺寸在约5μm至约10,000μm之间的范围内，通常约50μm。在石墨和炭黑的情况下，这些材料的足够少的添加量可以与高透光性电导体结合使用，以进一步提高导电性而不赋予高度的不透明性。
基板301可以包括任何合适的基板。在一些实施例中，合适的基板可包括具有微米级或更小的高度平坦度的基板。在一些实施例中，合适的基板可包括透明基板，而在其他实施例中，合适的基板可选自不透明、部分透明和基本透明。在许多实施例中，可选基板301可以选自玻璃、金属、聚合物和陶瓷。玻璃基板可以提供为任何类型的玻璃，包括例如钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、熔融石英玻璃和铝硅酸盐玻璃中的一种或多种。金属基板可包括钛、镍、铁、锌和铜中的一种或多种。聚合物基板可包括PET、PEN、PU、PC、PMMA、PETG、硅树脂、聚醚酰亚胺(PEI)、尼龙/PA、PE和PP中的一种或多种。陶瓷基板可包括氧化铝、二氧化硅、石英、板岩、高岭石、蒙脱石-蒙皂石、伊利石、绿泥石和铝酸钙中的一种或多种。
第一选择性接触层305和/或第二选择性接触层309可以包括p型选择性接触层和n型选择性接触层中的一个或多个。第一选择性接触层305和/或第二选择性接触层309可以是透明的或基本透明的。在光伏器件被提供为非反转光伏器件的实施例中，第一选择性接触层305是p型选择性接触层并且第二选择性接触层309是n型选择性接触层。在光伏器件被提供为倒置光伏器件的实施例中，第一选择性接触层305是n型选择性接触层并且第二选择性接触层309是p型选择性接触层。p型选择性接触层可以包括PEDOT:PSS、氧化镍、石墨烯、掺氟CsSnI3、钙钛矿、金属酞菁(例如铜酞菁)、Cu1、PFN、金属硫氰酸盐及其衍生物中的一种或多种。n型选择性接触层可包括酞菁、聚乙炔、聚(亚苯基亚乙烯基)及其衍生物中的一种或多种。此外或替代地，第一选择性接触层和/或第二选择性接触层可以包括浴铜灵和/或金属氧化物半导体。金属氧化物半导体可包括TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5、SrTiO3、NiO、WO3、V2O5、氧化铟锡、掺氟氧化锡中的一种或多种，5OPQHRSTE
在一些实施例中，光伏器件300可提供为多结或串联太阳能电池，其中另一太阳能电池用作或至少提供在光伏器件300的基板301上。光伏器件300因此可以“堆叠”在太阳能电池301上以形成串联太阳能电池。在一个实施例中，定位为前部电池的太阳能电池301可以吸收一些可见光，同时还允许红外辐射自由穿过电池和至少足够的可见光以保持透明度或至少一些透明度。因此可以允许红外辐射到达并被定位为背电池的光伏器件300吸收。其他配置也是可能的，因此本文提供的示例不应是限制性的。
在一个实施例中，光伏器件300被提供为串联太阳能电池。例如，光伏器件300可以包括作为基板301的太阳能电池、第一电极材料303；第一选择性接触层305；活性层307；第二选择性接触层309；以及第二电极材料311。太阳能电池301可以包括玻璃、电极材料和非晶硅(a-Si)层，其中非晶硅层包括正掺杂的a-Si:H、未掺杂的a-Si:H和负掺杂a-Si:H。电极材料和第一电极材料可以提供在非晶硅层的相对侧上。可以提供玻璃以使其与电极材料接触并以其他方式暴露于环境。第一电极材料303、第一选择性接触层305、活性层307、第二选择性接触层309和第二电极材料311可以如本文别处所述提供。
在一个实施例中，光伏器件300被提供为倒置光伏器件。倒置光伏器件可包括基板301、第一电极材料303、第一选择性接触层305、活性层307、第二选择性接触层309和第二电极材料311。在光伏器件被倒置的实施例中，第一选择接触层305为n型，第二选择接触层309为p型。
在一个实施例中，光伏器件300是非反相光伏器件。非反转光伏器件可以包括基板301、第一电极材料303、第一选择性接触层305、活性层307、第二选择性接触层309和第二电极材料311。在光伏器件被倒置的实施例中，第一选择性接触层305是p型并且第二选择性接触层309是n型。
在实施例中，光伏器件，包括光伏器件的任何层，具有在约25％至约100％的范围内，或在约25％与约100％之间的任何值或增量范围内的AVT。在实施例中，光伏器件具有在约1％至约50％范围内，或约1％至约50％之间的任何值或增量范围的PCE。在实施例中，光伏器件，包括光伏器件的任何层，透射具有第一波长的光并吸收具有第二波长的光，其中第一波长和第二波长选自电磁波谱的任何单一波长或波长范围(例如，包括但不限于可见光和红外辐射)。
使用辐射阻热材料的阻热窗
本公开的实施例描述了一种阻热基板，包括作为层、膜或涂层沉积在基板上并被配置为透射可见光和吸收红外辐射的辐射阻热材料，其中辐射阻热材料包含一种或多种非富勒烯组分和一种或多种空穴清除组分。本公开的任何辐射阻热材料均可用于本文。基板没有特别限制，但通常是透明或基本透明的基板，例如玻璃窗。例如，可以将辐射阻热材料沉积在住宅、建筑物和其他结构的玻璃窗上，以吸收红外或近红外辐射，从而显著减少向封闭空间或内部空间的热传输，同时还透射可见光，使得可以照亮空间。在一个实施例中，可见光包括波长范围从约380nm到约700nm的电磁辐射。在一个实施例中，红外辐射包括波长范围从约700nm到约3000nm的电磁辐射。
在本发明的另一方面，可以在透明基板，例如窗上制造包括辐射阻热活性层的光伏器件，以防止或以其他方式减少允许通过的太阳能量通过材料和/或基板进入环境(例如，建筑物或住宅的封闭空间)。通过以这种方式吸收红外光，光伏器件可以实现热传输的显著降低，同时还可以收集被阻热材料吸收的红外辐射并用于发电。通过透射电磁光谱可见区域的光，光伏器件允许自然光或人造光自由穿过器件，从而实现几乎不受限制地接近自然光或人造光。
因此，本公开的实施例描述了包括制造在窗上的光伏器件的阻热窗，其中光伏器件包括作为活性层的辐射阻热材料。在一个实施例中，光伏器件是透明的或基本上透明的。在一个实施例中，窗是玻璃窗。在一个实施例中，辐射阻热材料包含一种或多种非富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分。在一个实施例中，阻热材料被配置为透射基本上可见的光并且基本上吸收红外辐射。在一个实施例中，被吸收的红外辐射被光伏器件用来发电。在一个实施例中，可见光包括波长范围从约380nm到约700nm的电磁辐射。在一个实施例中，红外辐射包括波长范围从约700nm到约3000nm的电磁辐射。
在一个实施例中，光伏器件还包括设置在辐射阻热材料的相对侧上的第一电极材料和第二电极材料。在一个实施例中，第一选择性接触层设置在辐射阻热材料和第一电极材料之间。在一个实施例中，第二选择性接触层设置在辐射阻热材料和第二电极材料之间。在一个实施例中，基板与第一电极材料或第二电极材料接触并且以其他方式暴露于环境。
制造基于辐射阻热材料的光伏器件的方法
图4是根据本公开的一个或多个实施例的制造光伏器件的方法的流程图。如图4所示，方法400包括在第一材料上沉积401混合溶液(例如，辐射阻热材料)足以形成活性层，其中混合溶液包括一种或多种非富勒烯组分和可选地一种或多种空穴清除组分；以及在活性层上沉积402第二材料，其中第一材料和第二材料在活性层的相对侧上。
沉积可包括印刷、旋涂、刮涂和喷涂中的一种或多种，等等。在许多实施例中，沉积包括旋涂。本公开的任何非富勒烯组分和空穴清除组分都可以在此处使用。在一个实施例中，混合溶液是辐射阻热材料。在一个实施例中，辐射阻热材料包含一种或多种非富勒烯组分，没有空穴清除组分。在一个实施例中，辐射阻热材料包括非富勒烯组分和空穴清除组分。在一个实施例中，辐射阻热材料包括非富勒烯组分、第一空穴清除组分和不同于第一空穴清除组分的第二空穴清除组分。在一个实施例中，辐射阻热材料包含第一非富勒烯组分、不同于第一非富勒烯组分的第二非富勒烯组分和空穴清除组分。
第一材料和第二材料可以包括光伏器件的任何层或组分。在一个实施例中，第一材料是指基板、第一电极材料和第一选择性接触层中的一个或多个。在一个实施例中，第一材料是指第二电极材料和第二选择性接触层中的一个或多个。在一个实施例中，第二材料是指基板、第一电极材料和第一选择性接触层中的一个或多个。在一个实施例中，第二材料是指第二电极材料和第二选择性接触层。在一个实施例中，所述方法包括沉积第一前体溶液，其中第一前体溶液形成第一选择性接触层。在一个实施例中，所述方法包括沉积第二前体溶液，其中第二前体溶液形成第二选择性接触层。
在一个实施例中，所述方法可以包括制备混合溶液，其中该混合溶液包括一种或多种非富勒烯组分和溶解在有机溶剂(例如，环境友好或绿色化学溶剂)中的一种或多种空穴清除组分。在一个实施例中，所述方法可以包括洗涤基板。例如，基板可以用洗涤剂水、去离子水、丙酮和异丙醇中的一种或多种洗涤。在一个实施例中，洗涤可以包括在超声波浴中洗涤指定的时间段。在一个实施例中，所述方法可以包括制备第一或第二选择性接触层的前体溶液。在一个实施例中，所述方法可以包括处理基板。例如，可以对基板进行紫外线臭氧处理。在一个实施例中，第一或第二选择性接触层的前体溶液可以旋涂到基板和/或包含基板和第一或第二选择性层的复合材料上。在一个实施例中，所述方法包括加热沉积的前体溶液。在一个实施例中，所述方法包括在光电子器件的任何层上旋涂混合溶液。在一个实施例中，所述方法可以包括通过热蒸发来沉积层。
使用基于辐射阻热材料的光伏器件的方法
图5是根据本公开的一个或多个实施例的使用光伏器件的方法500的流程图。如图5所示，方法500包括照射501包含辐射阻热材料的光伏器件的表面，其中辐射阻热材料包括一种或多种非富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分；并将光转换502为电或电转换为光。在许多实施例中，辐射阻热材料被提供为活性层或光活性层。
照射通常是指暴露于辐射。辐射可以包括电磁波谱的任何波长、频率或其范围。在许多实施例中，照射包括暴露于近红外辐射。在其他实施例中，照射包括暴露于可见光。在其他实施例中，照射包括暴露于电磁波谱上的任何辐射。转换通常是指转换能量的任何过程。
以下实施例旨在说明上述发明，不应将其解释为缩小其范围。本领域技术人员将容易地认识到，审查员提出了可以实施本发明的许多其他方式。应当理解，在保持在本发明的范围内的情况下，可以进行多种变化和修改。
示例1
辐射阻热材料
传统的阻热窗依赖于涂覆在玻璃上的膜以试图阻挡尽可能多的光谱的近红外部分(约780-2500nm)。商业上最常用的两种方法是基于热解涂层玻璃(掺氟氧化锡，FTO，涂层)或使用交替的银和绝缘体薄层。这些在工业上被称为Low-E和太阳能控制玻璃，并被广泛制造和商业部署。
已经发现，当与本体异质结结合时，电子供体(或“空穴清除剂”)与电子受体的比例大大降低的有机系统产生具有高视觉透明度同时保持高功率转换效率的光伏。除了该稀释的系统的发电益处之外，令人惊讶地发现该系统还防止热量以红外辐射的形式通过涂层。特别地，已经发现，鉴于在炎热气候下空调的高能源成本，所述稀释的有机系统的阻热益处有时超过发电质量。
对于对人眼可见透明的光伏器件，它通常不应该吸收电磁波谱的“可见”区域内的光(例如，在400-700nm之间，灵敏度峰值在550nm附近)。因此，为了使这种透明太阳能电池保持高效，它应该吸收可见光范围之外的光——无论是在紫外区、近红外区还是红外区。太阳的光谱输出使得在红外区域比紫外区域有更多的能量需要收集，因此本文所述的光伏器件基于稀释的有机系统，以该近红外范围为目标来发电。
当暴露于直射阳光下时，近红外和红外辐射是造成大部分辐射加热的原因。由此产生的效果是，本文所述的稀释的有机系统虽然最初旨在仅用作发电的光伏器件，但也有效地吸收近红外辐射形式的热量。简而言之，本文描述的有机层可以收集这种辐射并用它来发电，在发电的同时防止对建筑物加热，而不是太阳的近红外辐射穿过窗并加热建筑物内部。无论光伏器件是否用于发电，或者即使光伏器件所需的所有层都存在，这种阻热效应都会发生。这种阻热装置的主要部件是稀释的活性层，它吸收近红外辐射，同时允许可见光通过。然而，其他光伏器件中的层(如透明导电氧化物、ETL、HTL和透明导体)也不同程度地吸收近红外和红外光，从而有助于阻热效果。即使在没有这些辅助层的情况下，单独稀释的活性层也足以实现热传输的显著降低，即使光伏器件在这种配置中不起作用。
虽然一些其他基于有机材料的光伏器件(以及更传统的基于硅、CdTe和其他材料的光伏器件)可以吸收红外辐射，但本文描述的有机系统的独特优势是在保持高可见光透明度的同时发生阻热的事实。其他传统光伏器件会吸收该可见光区域的光，因此由于透明度的降低令人无法接受，因此它们不适合用于窗。
如图6所示，器件内的所有单个层都显示出>70％的高AVT，具有空穴传输层(HTL，光伏器件所需的层)、透明电极(TE)和玻璃基板+透明导电氧化物(TCO)，这些在超过约1000nm时都显示出更低的透射率。稀释的活性层在约700-1000nm之间显示出低透射率，将近红外光转化为电能所需的最小值约为880nm。当制造成具有Glass/TCO/ETL/AL(活性层)/HTL(空穴传输层)/TE配置的分层结构时，在图6中称为“器件全堆叠”，表明通过器件透射可以认为是所有单个层的减法；在超过约700nm的区域(光开始被视为热量)显示出低的光透射率，同时保持约50％的高AVT。这种高AVT与低红外透明度的结合是通过本文所述的稀释的有机系统实现的：进行可见光吸收的空穴清除剂以足够低的量存在，以免降低可见光透明度，而进行近红外吸收的电子受体被允许收集超出可见光的光子，从而阻止它们穿过窗并引起加热效应。在该图中，器件全堆叠被证明在吸收近红外和红外光方面最有效，但是稀释的活性层是近红外光吸收的最大单一贡献者，如约700-900nm之间的下降所证明的。
与具有等效AVT的商用Low-E玻璃相比，“器件全堆叠”在约780-950nm之间、然后再次在约1400nm及以后显示出较低的透射率，如图7所示。
当考虑到不同玻璃/器件传输太阳发射到地球表面的可用波长的能力，这种透射很重要。由于光物理效应和大气因素的结合，到达地球表面的阳光在所有波长上都不是均匀的。产生的光谱由称为“全球空气质量1.5全球”(AM1.5G)的全球平均近似标准定义，如图8所示。这显示了从太阳到达地球发射光的给定波长的光谱照射度，单位为瓦特/平方米。
考虑到通过我们的薄膜的太阳光衰减量，图9示出了在大约780-2500nm之间将有多少光谱照射度通过Low-E玻璃基板和我们的“器件全堆叠”透射。通过对各个迹线下方的面积进行积分，可以计算通过不同层透射的太阳能(以及热量)的相对差异。这表明Low-E玻璃在这个不可见光区域的透射率约为121W/m2，而“器件全堆叠”仅透射约97W/m2，分别对应约30％和25％的能量透射率。
阻热效应是主要活性层(由电子供体/空穴清除剂和受体材料组成的稀释的有机层)以及电极上存在的透明导电氧化物的近红外光(及以外)吸收的产物。ETL和HTL层在阻热过程中的作用较小，但它们的组成材料可以互换。图10是显示稀释的有机活性层在523小时的过程中经受连续温度应力(80摄氏度)时随时间的吸收强度的曲线图，其中根据本公开的一个或多个实施例，在这段时间框架内出现2.4％的峰值吸收下降。
这种热阻效应的长期持续时间远远超过了光伏器件的寿命。虽然基于稀释的有机系统的光伏发电在达到其原始性能值的80％之前的预计寿命为10年，但发现在连续温度应力下，阻热程度随时间的恶化要慢得多。据推测，如果在沙特阿拉伯等地每天加热1小时(80摄氏度-高于现实世界的条件)，热阻效果将在25年内达到其原始功效的80％。在商业产品中，这意味着包含这种稀释的有机系统的窗可以在光伏系统性能下降多年后继续提供阻热方面的好处。
示例2
单一组分和稀释的有机系统
本文描述的实施例涉及新颖的单一组分和稀释的系统。特别是，由于NF与PC70BM相比具有不同的光物理特性，因此制造了一个“稀释”的系统(D/A1:10-1:25)，它与红外受体结合可以提供AVT>70％，同时交付PCE>5-6％。超快(<300fs)瞬态吸收光谱(TAS)显示非富勒烯受体具有本征半导体特性，而不是激子特性。这与常见的供体和基于富勒烯的材料不同。事实上，在超短时间尺度上观察到原始非富勒烯受体材料中自由电荷的形成，而常见的最先进的供体和受体仅描述了激子。为了证明测量结果，基于IEICO-4FNF的单组分有机太阳能电池(也可以称为0:1稀释的系统)以基于ITO/ZnO/非富勒烯受体/MoOx/Ag的倒置配置制造(图11)。图12显示了在100mWcm-2的AM1.5G照明下单组分器件的电流密度与电压(J-V)特性。该太阳能电池的短路电流密度(Jsc)为3mAcm-2，开路电压(Voc)为0.77V，填充因子为32％，总PCE为～1％。这一结果证实，由于NF的双极性，非富勒烯受体能够在室温下有效地将激子分裂成自由电荷，而无需供体材料，并在它们各自的电极中收集空穴和电子。然而，由于缺陷和/或陷阱态的形成，单组分器件的有限PCE归因于HOMO/LUMO能级分别与HTL和ETL的非欧姆接触和/或材料中的电荷复合过程。
为了减少这些限制，引入少量供体材料(PTB7-th)以形成稀释的系统，其中聚合物/小分子充当“空穴清除剂”，促进电荷提取并因此提高FF和Jsc与单组分器件相比。图13示出了在100mWcm-2的AM1.5G照明下单组分器件的电流密度与电压(J-V)特性。稀释的系统PTB7-Th:IEICO-4F器件提供5％的PCE，1:10D/A。图14是包含1:10的空穴清除组分与非富勒烯组分的比率的稀释的系统的曲线图。最后，制造了范围广泛的供体/NF系统，使得本公开的方法具有普遍性。特别是，这种方法提供了重新考虑过去20年中开发的用于透明有机光电器件的所有供体材料的机会。
有趣的是，基于PTB7-th:IEICO-4F的稀释的系统的活性层的AVT通过UV/Vis光谱法测量。图15示出了BHJ相对于人眼灵敏度的透射率。所有波长范围(360-1000nm)的AVT为70％，这是迄今为止有机太阳能电池报告的最高值。此外，活性层的透明度是根据人眼反应计算的(图16)。PTB7-th:IEICO-4F薄膜的透明度值高达90％。考虑到裸露的玻璃将透明度降低了5-8％，这令人印象深刻。
光伏模块代表了一个重要的试验台，因为现实世界的应用通常需要大电压输出，这可以通过连续电池的单片互连来实现。在玻璃和柔性基板上实现了高太阳能模块效率，重要的是同时保持了高AVT和GFF。
OSC的制造和表征。PTB7-Th购自1-Materials Inc。IEICO-4F使用常规方法合成。PTB7-Th：在氯苯中制备浓度为20mg/ml的IEICO-4F混合溶液。反向器件结构为ITO/氧化锌(ZnO)/PTB7-Th：IEICO-4F/MoOx/Ag。ITO基板依次用洗涤剂水、去离子水、丙酮和异丙醇在超声波浴中清洗20分钟。氧化锌粉将2.4g醋酸锌二水合物(Zn(CH3COO)2·2H2O，99％，Sigma)和0.647ml乙醇胺(NH2CH2CH2OH，98％，Sigma)溶解在30ml 2-甲氧基乙醇(CH3OCH2CH2OH，98％,Sigma)，然后将溶液搅拌过夜。ITO基板在UV-臭氧处理下30分钟。UV-臭氧处理后，将ZnO前体溶液以4000rpm的速度旋涂到ITO基板上。在空气中在200℃下烘烤10分钟后，将涂有ZnO的基板转移到充满氮气的手套箱中。以不同的速度(300rpm至2000rpm)旋涂供体/受体混合物溶液以获得不同的厚度。器件制造是通过在小于2x10-6Pa的压力下热蒸发5nm MoOx(Alfa)和100nm Ag(KurtLesker)来完成的。所有器件通过荫罩的有效面积为0.1cm2。太阳能电池的J-V测量在手套箱中使用Keithley 2400源表和校准为1太阳、AM1.5G的OrielSol3AAAA级太阳能模拟器以及Newport认证的KG-5硅参考电池进行。
模块。该工艺涉及对连续、均匀涂层的高精度、超快激光结构化，以形成具有低串联电阻和减少死区的互连。Glass/ITO和PET/ITO-Ag-ITO(IMI)基板分别用于实现刚性和柔性器件。为了实现功能模块，需要三个激光步骤：P1激光定义底部电极，P2线“打开”光敏层以在顶部和底部电极之间建立接触，P3将顶部电极电隔离(图17)。P1和P3线之间的区域不是光活性的，因此可以被认为是一个损失区域(死区)。
这产生了几何填充因子(GFF)，其定义为
Figure BDA0003191990700000261
GFF越接近100％，图案化技术对太阳能模块最终PCE的影响就越小。激光结构使得实现250–300μm的互连区域成为可能，因此GFF高达90％。
图18是根据本公开的一个或多个实施例的在曝光过程中的基于1:2和1:10D/A的归一化PCE的曲线图。在器件制造过程中，太阳能电池被放置在一个密封的、电子控制的降解室中，并具有调节的环境(O2<1ppm，H2O<1ppm)。基于1:2空穴清除剂/NF和1:10空穴清除剂/NF的器件的J-V特性在使用金属卤化物灯以100mW/cm2辐射连续浸光的同时进行定期探测。如图18所示，与基于1:2空穴清除剂/NF的器件相比，基于1:10空穴清除剂/NF的太阳能电池显示出改进的光稳定性。
示例3
三元稀释有机系统
含有两个有机部分供体电子和一个有机部分受体电子(或反之亦然)的有机三元本体异质结(BHJ)共混物是被认为有望克服有机光伏(OPV)15％功率转换效率(PCE)的重要障碍的最好的材料之一。与基于二元混合的器件相比，在体异质结混合物中使用第三个半导体吸收剂，原则上可以操纵和增强三个关键光伏参数，短路电流密度(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF)。在该实施例中，使用基于非富勒烯和两种空穴清除剂的活性层。与基于非富勒烯和单孔清除剂的参考器件相比，通过这种方法，三元混合物的功率转换效率和热稳定性得到双重提高。事实上，三元器件的PCE为6％，而二元电池的PCE较低，为5％。此外，在80摄氏度的惰性气氛中进行的温度退化测量表明，与二元器件相比，三元混合物的稳定性有所提高。结果报告在图19A-19B中。
示例4
稀释的系统涂覆在市售玻璃上
用于有机太阳能电池的常用基板由涂覆有氧化铟锡(ITO)的玻璃组成，其特征在于低薄层电阻(<15Ohm/sq)和低粗糙度(<1nm)。低粗糙度允许制造没有任何缺陷和/或针孔的有机太阳能电池，这会对性能产生不利影响。对于具有商业价值的产品，出于成本考虑，ITO必须被氟掺杂氧化锡(FTO)取代。然而，传统的有机太阳能电池在FTO上制造时效率低，因为与ITO相比，基板的粗糙度更高。在该实施例中，在市售的FTO上制造基于非富勒烯和一种或多种空穴清除剂的有机太阳能电池。这些器件提供了与基于ITO的标准太阳能电池相当的PCE。短路电流密度是唯一受基板更换影响的参数，因为与ITO相比，FTO的NIR中的寄生吸收更高。发现与传统的供体：受体混合物相比，稀释的系统对基板的缺陷/粗糙度具有更高的耐受性。结果如表1所示。
表1.空穴清除剂的光伏参数：基于NF(1:10)的器件在不同玻璃/FTO和玻璃/ITO基板上的1次阳光照射下。
Figure BDA0003191990700000271
Figure BDA0003191990700000281
示例5
混合串联太阳能电池
典型的太阳能电池基于单层光伏材料，无论它是基于硅、钙钛矿还是有机本体异质结。然而，这一单层将光转化为电能的效率存在根本的物理限制：在最佳情况下，该效率上限约为33％。然而，如本文所述，通过在同一器件中将多种光伏材料相互“堆叠”(称为“多结”或“串联”太阳能电池)，可以更有效地收集光，并且33％的效率限制被提出。重要的是，为了实现高效的串联太阳能电池，两个子电池的短路电流密度(JSC)必须尽可能相似(串联装置的JSC仅限于最低子电池的JSC，而子电池的开路电压VOC相加)。
因此，开发了使用另一种太阳能电池作为基板来制造本文所述的稀释的有机系统的方法。这种“前电池”基于一层非晶硅(a-Si)，它吸收太阳光谱可见光区的一些光(同时允许一些可见光通过，保持一定的透明度)，同时允许不可见光(近红外)波长自由通过并被稀释的有机“背电池”吸收，如本文所述。这种串联太阳能电池可以大大提高a-Si太阳能电池的效率，与单独的原始a-Si相比没有明显的缺点。与标准a-Si太阳能电池相比，本文所述的稀释的有机光伏材料表现出几乎相同的JSC，同时保持高可见光透明度。这意味着新的串联器件表现出更高的VOC(以及因此的效率)，而视觉透明度或JSC限制没有明显降低。
该器件结构被设想用于需要稍微“较暗”的太阳能电池板的商业应用中，其中仍然可以通过改变如本公开中所述的供体和受体比来调整光学性质。
图20示出了单结有机(蓝色)、单结a-Si(红色)和多结串联太阳能电池(橙色)的电流-电压响应。下表显示，通过利用这种串联结构，a-Si太阳能电池的功率转换效率从7.7％提高到14.0％。
图21是根据本公开的一个或多个实施例的串联太阳能电池的示意图。
本公开的其他实施例是可能的。尽管上面的描述包含很多特定性，但这些不应被解释为限制本公开的范围，而仅提供对本公开的一些当前优选实施例的说明。还预期可以进行实施例的特定特征和方面的各种组合或子组合并且仍然落入本公开的范围内。应当理解，所公开的实施例的各种特征和方面可以相互组合或替代以形成各种实施例。因此，意图是本公开的至少一些的范围不应被上述具体公开的实施例限制。
因此，本公开的范围应由所附权利要求及其法律等效物确定。因此，应当理解，本公开的范围完全包括对本领域技术人员而言显而易见的其他实施例，并且本公开的范围因此不受所附权利要求以外的任何其他实施例的限制，在除非明确说明，否则以单数形式提及的元素并非旨在表示“一个且仅一个”，而是“一个或多个”。普通技术人员已知的上述优选实施方案的元件的所有结构、化学和功能等效物本领域技术人员通过引用明确地并入本文并且旨在被本权利要求所涵盖。此外，器件或方法不必解决本公开寻求解决的每一个问题，因为它被本权利要求所涵盖。此外，本公开中的任何元件、部件或方法步骤均不旨在专用于公众，无论权利要求中是否明确地叙述了元件、部件或方法步骤。
为了说明和描述的目的，已经呈现了本公开的各种优选实施例的前述描述。并不意在穷举或将本公开限制为精确的实施例，并且显然根据上述教导可以进行许多修改和变化。选择和描述如上所述的示例实施例是为了最好地解释本公开的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够在各种实施例中最好地利用本公开，并且具有适合于的各种修改。预期的特定用途。本公开的范围旨在由所附的权利要求来定义。
已经描述了各种示例。这些和其他示例在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种窗，包括：
透明光伏器件，被配置为透射可见光并且吸收红外辐射，其中光伏器件的活性层包含辐射阻热材料，所述辐射阻热材料包含一种或多种非富勒烯组分和可选的一种或多种空穴清除组分。
2.根据权利要求1所述的窗，其中光伏器件被配置为保持至少约50％的平均可见光透射率。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的窗，其中光伏器件被配置为具有至少约5％的功率转换效率。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的窗，其中透射的可见光的波长在约380nm至约700nm的范围内，或在约380nm至约700nm之间的任何值或增量范围内。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的窗，其中吸收的红外辐射具有约700nm至约3000nm范围内的波长，或约700nm至约3000nm之间的任何值或增量范围。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的窗，其中所述一种或多种空穴清除组分包括第一空穴清除组分和不同于第一空穴清除组分的第二空穴清除组分。
7.根据权利要求1-6中任一项的材料，其中所述一种或多种空穴清除组分与所述一种或多种非富勒烯组分的比率为约1:10至约1:25。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的窗，其中所述一种或多种空穴清除组分选自噻吩、并苯、氟、咔唑、茚二噻吩噻吩、茚并噻吩噻吩、苯并二噻唑、噻吩-苯并二噻吩-二酮、苯并三唑、二酮吡咯并吡咯、以及它们的组合。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的窗，其中所述一种或多种非富勒烯组分选自罗丹宁-苯并噻二唑-偶联的茚二噻吩(IDTBR)；茚二噻吩并[3,2-b]噻吩，IT)，以2-(3-氧代-2,3-二氢茚-1-亚基)丙二腈(INCN)基团(ITIC)封端；茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩和2-(3-氧代-2,3-二氢茚-1-亚基)丙二腈(IEIC)；2,2'-((2Z,2'Z)-((5,5'-(4,4,9,9-四(4-己基苯基)-4,9-二氢-s-苯并二茚并[1,2)-b:5,6-b']二噻吩-2,7-二基)双(4-((2-乙基己基)-氧基)噻吩-5,2-二基))双(亚甲基亚基))双(3-氧)-2,3-二氢-1H-茚-2,1-二亚甲基))二丙二腈(IEICO)；萘二亚胺(NDI)；湾联苝双酰亚胺(di-PBI)；苝双酰亚胺(PBI)；用噻唑烷-2,4-二酮(TD)封端的含苯并三唑；萘酞菁(NC)；酞菁(PC)；萘并[1,2-c:5,6-c']双[1,2,5]噻二唑；(2E,2'E)-3,3'-(2,5-二甲氧基-1,4-亚苯基)双(2-(5-(4-(N-(2-乙基己基))-1,8-萘二甲酰亚胺)基)噻吩-2-基)丙烯腈)(NIDCS-MO)；噻吩并[3,4-b]噻吩和2-(1,1-二氰基亚甲基)罗丹宁组合(ATT-1)；(3,9-双(4-(1,1-二氰基亚甲基)-3-亚甲基-2-氧代-环戊二烯[b]噻吩)-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二噻吩[2,3-d':2,3-d']-s-苯并二茚并[1,2-b:5,6-b']-二噻吩(ITCC)；茚二酮；双氰基乙烯基；苯并噻二唑；二酮吡咯并吡咯；亚芳基二亚胺；IDIC；及其组合。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的窗，其中所述光伏器件还包括：
设置在辐射阻热材料的相对侧上的第一电极材料和第二电极材料。
11.根据权利要求10所述的窗，其中所述光伏器件还包括：
第一选择性接触层，设置在辐射阻热材料与第一电极"#$％&
第二选择性接触层，设置在辐射阻热材料和第二电极材料之间；以及
基板，与第一电极材料或第二电极材料接触并以其他方式暴露于环境。
12.一种辐射阻热材料，包括：
一种或多种非富勒烯组分；以及
一种或多种空穴清除组分；
其中，阻热材料透射可见光并吸收红外辐射。
13.根据权利要求12所述的材料，其中所述光伏器件被配置为保持至少约50％的平均可见光透射率。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的材料，其中透射的可见光具有约380nm至约700nm范围内的波长，或约380nm至约700nm之间的任何值或增量范围。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的材料，其中吸收的红外辐射具有约700nm至约3000nm范围内的波长，或约700nm至约3000nm之间的任何值或增量范围。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的材料，其中所述一种或多种空穴清除组分包括第一空穴清除组分和不同于所述第一空穴清除组分的第二空穴清除组分。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的材料，其中所述一种或多种空穴清除组分与一种或多种非富勒烯组分的比率范围为约1:10至约1:25。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的材料，其中所述一种或多种空穴清除组分选自噻吩、并苯、氟、咔唑、茚二噻吩噻吩、茚并噻吩噻吩、苯并二噻唑、噻吩-苯并二噻吩-二酮、二吡咯并三唑，以及它们的组合。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的材料，其中所述一种或多种非富勒烯组分选自罗丹宁-苯并噻二唑-偶联的茚二噻吩(IDTBR)；茚二噻吩并[3,2-b]噻吩，IT)，以2-(3-氧代-2,3-二氢茚-1-亚基)丙二腈(INCN)基团(ITIC)封端；茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩和2-(3-氧代-2,3-二氢茚-1-亚基)丙二腈(IEIC)；2,2'-((2Z,2'Z)-((5,5'-(4,4,9,9-四基(4-己基苯基)-4,9-二氢-s-吲哚美辛[1,2)-b:5,6-b']二噻吩-2,7-二基)双(4-((2-乙基己基)-氧基)噻吩-5,2-二基))双(亚甲基亚基))双(3-氧)-2,3-二氢-1H-茚-2,1-二亚甲基))二丙二腈(IEICO)；萘二亚胺(NDI)；湾联苝双酰亚胺(di-PBI)；苝双酰亚胺(PBI)；用噻唑烷-2,4-二酮(TD)封端的含苯并三唑；萘酞菁(NC)；酞菁(PC)；萘并[1,2-c:5,6-c']双[1,2,5]噻二唑；(2E,2'E)-3,3'-(2,5-二甲氧基-1,4-亚苯基)双(2-(5-(4-(N-(2-乙基己基))-1,8-萘二甲酰亚胺)基)噻吩-2-基)丙烯腈)(NIDCS-MO)；噻吩并[3,4-b]噻吩和2-(1,1-二氰基亚甲基)罗丹宁组合(ATT-1)；(3,9-双(4-(1,1-二氰基亚甲基)-3-亚甲基-2-氧代-环戊二烯[b]噻吩)-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二噻吩[2,3-d':2,3-d']-s-苯并二茚并[1,2-b:5,6-b']-二噻吩(ITCC)；茚二酮；双氰基乙烯基；苯并噻二唑；二酮吡咯并吡咯；亚芳基二亚胺；IDIC；及其组合。
20.一种窗，包括沉积在其表面上的权利要求12-19的辐射阻热材料。
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