CN1879226B

CN1879226B - 包壳表面上的多层光电装置

Info

Publication number: CN1879226B
Application number: CN2004800328082A
Authority: CN
Inventors: I·L·斯克里亚宾; G·帕尼; S·M·塔洛克; G·L·埃文斯; B·乔斯尼克
Original assignee: Dyesol Industries Pty Ltd
Current assignee: Dyesol Industries Pty Ltd
Priority date: 2003-11-03
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2024-11-03
Also published as: SG148144A1; US20100032009A1; KR101168298B1; JP5219373B2; CN1879226A; EP1687853A1; US20120034727A1; JP2007514301A; KR20070004547A; WO2005043632A1

Abstract

一种形成在小玻璃球体(10)的内表面上的多层光电装置(11)，其为固定在该球体内的传感器、通信和数据处理装置提供持久的电能。该球体由透明橡胶外壳(21)封装，以提供一种可交付给情报、国防、安全和许多其它民用应用使用的小型化的微型无线传感器。

Description

包壳表面上的多层光电装置

技术领域

本发明涉及薄膜光电装置和传感器以及用于电连接这些装置的材料和方法，特别涉及用于制造这些装置的材料和方法。

更具体而言，本发明涉及包括传感器和光电电池的纳米颗粒光电化学(PEC)装置。纳米颗粒PEC装置的实例被公开在以下专利和申请中：

US4927721，Photoelectrochemical cell；Michael Graetzel and Paul Liska，1990。

US5525440，Method of manufacture of photo-electrochemical cell and a cell made by this method；Andreas Kay，Michael Graetzel and Brian O’Regan，1996。

US6297900，Electrophotochromic smart window；Gavin Tulloch and Igor Skryabin，2001。

PCT/AU01/01354，UV sensors and arrays and methods to manufacture thereof，George Phani and Igor Skryabin。

本发明还涉及将这些装置用于为也被称为微型无线传感器或智能尘埃的小型无线传感器供电的应用。

背景技术

如在上述专利中所公开的类型的PEC电池属于广义类别的薄膜多层光电(PV)装置。这些装置被制造成布置在两个大面积基片之间或单个基片上的平面叠片。一种典型的布置包括两个玻璃基片，各个玻璃基片利用其内表面上的导电覆层。另一种典型的布置包括玻璃或聚合物的第一基片和聚合物的第二基片，其中第一基片利用其内表面上的导电覆层。在一些布置中，上述第二聚合物基片的内表面覆有导电覆层，而在其它布置中，上述第二聚合物基片包括利用相邻的诸如碳的导电材料的聚合物箔叠片。此外，在一些布置中，外表面可为叠片金属膜，而在其它布置中，外表面可覆上金属。上述第一和第二基片中的至少一个对可见光是大体透明的，附着的透明导电(TEC)覆层同样如此。

PEC电池包含光电阳极和阴极，其中光电阳极典型地包括附着在一个导电覆层上的染料敏化纳米多孔半导体氧化物(例如，二氧化钛或氧化钛)层，阴极典型地包括附着在其它导电覆层或导电材料上的氧化还原电催化剂层。包含氧化还原介质的电解质位于光电阳极和阴极之间；电解质被密封以和外界隔绝。

通常包括金属氧化物的TEC覆层，与普通金属导体相比具有高电阻系数，导致在高照度条件下工作的大面积PEC电池的高电阻损耗。

制造PEC模块的一个实例包括使用两个具有已被分成电绝缘区域的TEC覆层的玻璃基片。将二氧化钛(或类似半导体)网印在一个基片的TEC覆层的所选区域上，并将催化剂网印在另一基片的TEC覆层的所选区域上。通过将覆有氧化钛的基片浸入染料溶液中，使二氧化钛覆上一薄层染料。将带状密封剂和互连材料沉积在其中一个基片上，然后将两个基片粘合在一起。通过其中一个基片中的穿露孔(access aperture)将电解质加入电池，然后将这些孔密封。

制造PEC模块方法的另一个实例包括使用具有已被分成电绝缘区域的TEC覆层的一个基片。例如，通过网印法将氧化钛、绝缘陶瓷氧化物和导电催化材料(例如，碳基导电催化材料)逐层沉积在覆有TEC覆层的基片的所选区域上，该催化层也可用作互连材料层。通过将多覆层基片浸入染料溶液中，使氧化钛覆上一薄层染料。将电解质加入多孔的氧化钛-绝缘体-催化剂层内的间隙中。将密封剂/聚合物和/或金属箔叠片的密封剂表面密封到基片上。

上述PEC装置的一个优点是在角度性能方面比通常销售的装置要好。已经证明这些装置即使在漫射光的情况下或在太阳光入射角不同于法线时也表现良好。这个优点归因于感光层的纳米颗粒结构提供了大面积的感光表面。每一个覆有染料薄层的纳米颗粒吸收从所有方向入射的光，从而增强了整个电池的角度性能。

然而，PEC的这些优点在平面基片上没有被充分利用。平面基片和空气之间的界面反射相当部分的太阳能，特别是在大入射角的情况下。抗反射覆层仅能部分克服这个问题；它们的抗反射特性典型地与波长相关，从而仅对小部分太阳光谱来说是最优的。

此外，上述PEC装置，特别是大尺寸的PEC装置需要有高导电性和高光学透明性的覆层。透明导电体的电阻通常是大于5-10mm的装置的性能的限制因素。

而且，很难将平面薄膜PV装置用于为微型无线传感器供电。可以认识到的是，微型无线传感器将提供物理环境和因特网之间的广泛连接。尽管最初为了国防、情报和安全用途而被开发，却期望将微型无线传感器用于各种领域，包括：存货和仓库控制、建筑物和桥梁的结构完整性评估、建筑自动化、测量、家庭网络、工业自动化和农业监测。

微型无线传感器包括以下元件：

1.传感器

2.数据处理器

3.发送器

4.接收器和

5.电源：能量存储器+PV元件

尽管元件1)至4)的技术为小型化和独立的无线作业提供了实用上不受限制的性能，持久的和可再生的独立电源才是微型无线传感器的市场接受度和成功的关键。

现有的微型无线传感器为大约3cm宽、5cm长，且小型化与就地产生微功率的有效性相关。此外，现有微型无线传感器具有不便使用的形状，不能交付给典型防御战区使用。

存在有基于电化学能量存储器(电池)和用于持续为电池充电的光电元件的微功率源的实例。能量需求是小型化的微型无线传感器设计中的主要限制。

另外，微型无线传感器和它们的光电元件当前是以大体平面的结构实现的。这影响了这些装置的空气动力性能和它们的可视性，并限制了可用功率。小尺寸的平面PV装置不能捕获足够量的光，特别是在有雾的、有烟尘的、多云的或室内光线的情况下。

本发明的目的

因此，本发明的一个目标是提供一种薄膜PV装置，更具体而言，提供一种特别是在漫射光的情况下具有增强性能的PEC装置，这种漫射光的情况对微型无线传感器工作而言是典型的。

本发明的另一个目标是提供一种适合于为微型无线传感器供电和可与微型无线传感器集成在一个刚性模块内的光电装置。

发明内容

宽泛地说，本发明提出使用弯曲的表面来形成薄膜光电元件的各层，特别是形成薄膜PEC元件的各层。

术语“弯曲的”在本说明书中用来描述大体为非平面的表面。典型地，该表面在形成光电元件之前是弯曲的。本发明中使用的典型的弯曲表面具有曲率半径小于50mm但优选地小于10mm的特征。弯曲元件的尺寸小于30-50mm，但优选地小于5-10mm。

弯曲的PV元件考虑到更好地捕获来自所用方向的光，且提供更高的覆盖(footprint)效率(对于元件的覆盖(或横截面)区域计算的效率)。

重要的是，弯曲的表面由包壳提供。该包壳保证光电装置的机械完整性，并为光电元件提供封装。

该光电元件包括几层。在一个实施例中，该光电元件包括以下各层：二氧化钛、钌基染料、具有碘化物基介质(iodide based mediator)的电解质以及碳基或铂基相对电极。

光电元件的各层可形成在包壳内或包壳上。

当各层形成在包壳内时，包壳必须由光学透明材料制成。本发明提出使用透明塑料材料以及玻璃。透明导体的导电覆层被附着在包壳上以保证有效收集电流。本发明提出使用透明导电氧化物(铟锡氧化物、掺氟的氧化锡等)或使用由导电纤维制成的网，例如金属网(不锈钢、氧化钛、钨、镍等)。

当各层形成在包壳上时，该包壳不必要是透明的。在这种情况下，可使用非透明导电覆层来收集电流。

本发明提供有宽广范围的包壳形状。

在一个实施例中，包壳形成包含光电元件的圆顶。优选地，该圆顶大体为半球形。典型地，该圆顶被安装在形成圆顶的基底的基片上。

为了保证环境保护，包壳封装光电装置。

在一个实施例中，包壳为球形。可以理解的是，封装包壳不需要是规则的几何球形，而可以是任何方便的形状。然而，如果该包壳为空气动力形状，则是有利的。

在另一个实施例中，包壳为多面体形状。将薄膜PV元件形成在多面体的面上。本发明提出该多面体的进一步封装，诸如由封装材料产生的外形为空气动力的。

根据本发明的一个方面，光电装置包括球形导电核心体，其上顺序沉积有PV元件的各层。顶部的导电层包括已知透明导电材料中的任何一个，其中已知透明导电材料包括但不限于：

-透明导电氧化物

-导电聚合物

-由导电纤维制成的网

然后将透明塑料或玻璃包壳形成在光电元件周围。

本发明提出在包壳中形成通道以便能从外部电连接该装置。在一个实施例中，导电覆层扩展成覆盖上述通道的所有或部分内表面以提供外部电连接。在另一个实施例中，将该通道充满导电材料或非导电材料(例如，陶瓷釉)，其中该非导电材料形成与上述导电覆层的结合物(bond)并密封上述孔。

光电元件的至少一层包括半导体。本发明提出对宽禁带半导体材料进行染料光敏化以吸收光的电磁能量。优选地，使用纳米弥散半导体，从而显著增加元件的感光区域。

在一个实施例中，将PV元件的各层形成在透明球形的内表面上。该透明球形由玻璃、聚合物或任何其它光学透明材料制成。

在另一个实施例中，将PEC装置的各层形成在球形导电核心体上，最后一层为光学透明的。上述核心体从金属(Ti、W、SS等)或非金属(碳、导电聚合物等)导体中选择。

本发明提供通过PCB技术中使用的标准连接装置而被连接到基片上的光电装置。为了实现连接(既实现电连接又实现机械连接)，本发明提供嵌入包壳中的导电引脚。在双面PCB的情况下，本发明提出使用PCB上的孔来进行背面连接。

本发明提出使用镜状的板或在基片顶部沉积高反光层。

在相同基片上放置多于一个光电装置并使用导体网格将它们电互连是有利的。本发明也在需要柔韧性时提供柔性支撑板。

本发明还提出使用球形装置的内部空间作为电解质和干燥剂的附加存储器。附加的电解质将延长装置的使用寿命。

本发明提供在弯曲的密封包壳内形成的微型无线传感器的元件。

包壳一般为球形式样，然而，实现基于它们的空气动力性能和/或可视性而选择的其它形状是有利的。

根据本发明的一个方面，薄膜光电元件使用包壳形状的表面作为基片。

在一个实施例中，包壳的至少一部分是光学透明的，且上述光电元件形成在该包壳的内表面上。

在另一个实施例中，上述光电元件形成在包壳的外表面上。

在根据本发明的这个方面的另一个实施例中，上述薄膜光电元件的一些层被形成在上述包壳的内表面上，而其它层被形成在包壳的外表面上。

尽管本说明书将包壳的形状描述为球形，本发明不限于几何球形，而可提供其它大体弯曲且不一定规则的形状和/或球形的一部分。

本发明提供由玻璃、塑料、金属或任何其它适合的材料制成的包壳。

尽管本发明描述了薄膜式样的光电元件，使用一些特定的薄膜技术(诸如有机PV(OPV)，染料太阳能电池(DSC)，Si、CdTe或ICS太阳能电池)是有利的。

本发明提出在包壳内形成孔以便能从外部电连接该装置。在一个实例中，这些连接通过发送/接收信息所需的天线来完成。

在另一个实施例中，通过将TEC覆层的区域分隔成适当的形状，在包壳的内表面或外表面上形成上述天线。

而在另一个实施例中，天线是延伸到包壳外部或附在包壳的外表面上的导线。

根据本发明的另一个方面，微型无线传感器形成在球状玻璃包壳(玻璃球体)内部。球体内表面完全或部分地覆有透明导电体。透明导电体的一些区域形成薄膜光电装置的基片。

另外，能量存储装置形成在包壳内部。该能量存储装置是高容量电容器或电化学电池或其组合。

本发明提供一种薄膜能量存储装置。一般将该薄膜能量存储装置形成在靠近薄膜光电元件处。然而，在一些情况下，将上述薄膜能量存储装置形成在包壳内表面或外表面的个别部分上。

上述能量存储装置和上述光电元件是电连接的。已发现将二极管安置在能量存储装置和光电元件之间的电路中是有利的。本发明提供了形成在光电元件和能量存储装置之间的薄膜二极管。在一些情况下，上述薄膜二极管层覆盖光电元件的大体整个区域。

本发明还提供固定在包壳内的传统小型能量存储装置。

此外，数据处理和数据接收/发送元件被固定在包壳内部且电连接到能量存储装置。

传感器相对于包壳的位置取决于所选应用的需求。

为了光传感，光电电池自身提供根据光强调制的电信号。

对于一些应用(诸如化学和生物监控)，传感器延伸到包壳外部。

为了保护以免受机械冲击，包壳还被封入弹性外壳(例如，聚氨酯)内。

为了保护包壳内的所有元件并提供机械刚性，弹性材料(塑料)被提供在包壳内部。

为了附在各种表面上，在包壳上形成一层粘合剂。

这种式样的PV装置可通过用下述方式将该装置在预定方向上加速而被准确传送到目标位置：在飞行了一定距离后，该装置将与目标对象接触，且粘合剂将使该装置保持在该位置所需长度的时间。可从地面位置或从飞行物(例如，飞机、直升机)对微型无线传感器进行上述加速。

可选地，该PV装置可仅从飞行物上落下。在这种情况下，应考虑飞行物的高度和速度来确定何时落下微型无线传感器，以使其落在预定表面上。

该预定表面可属于移动地面目标(例如，汽车)或飞行物。

在一个实施例中，在与气枪相似的装置内实现PV装置的加速，在气枪内，压缩空气的压力将微型无线传感器在一定方向上加速到一定速度。速度的方向和大小以下述方式进行选择：飞行PV装置的投射体与目标对象的表面相交。

根据本发明的另一个方面，光电装置包括用于为该装置定向的装置。

在一个实施例中，装置的重心以下述方式变动：在重力的作用下，该装置被定向到预定方向上。这种定向保证重心的最低位置。

自定向装置保证天线的特定方向(典型地，向上)。

在根据本发明的这个方面的另一个实施例中，微型无线传感器还包括保证球体位于距离支撑表面一定的距离处的支撑装置。

该支撑装置可包括向装置外部突出的杆和/或弹簧。在一个实例中，该支撑装置包括支脚。该支脚可被覆上粘合剂以保证牢固地附着在支撑表面上。

根据本发明的另一个方面，通过装置在飞行路径(flying pass)上所受到的空气动力对装置定向。在一个实施例中，这是通过将小翼或尾部连接到装置主体上来实现的。在另一个实施例中，以这样的方式使主体成形：形成翼状的几何形状。

本发明提供制造成针状(尖的)的杆，因此，当杆碰到支撑表面时，针穿透进表面内，从而保证将微型无线传感器附着在特定方向上。

本发明还提供用于将微型无线传感器传送到目标表面的自推进装置。在一个实施例中，自推进由存储在微型无线传感器内或存储在附加的小容器内的化学能量驱动。在自推进后剩余的部分化学能量可用于为微型无线传感器操作供电一定时间。

在本说明书中描述的微型无线传感器附着的支撑表面可以是水平的、垂直的或倾斜的。

附图说明

已对本发明的特性进行了宽泛的描述，现将仅通过实例和图解对本发明的实施例进行说明。在下述说明中，将参照以下附图：

图1为根据本发明的第一实例(优选实施例)形成的多层PV装置的放大截面图；

图2为根据本发明的第二实例形成的多层PV装置的放大截面图；

图3为根据本发明的第三实例形成的多层PV装置的放大截面图。

具体实施方式

参照图1，PV元件被构造在球形包壳10内，在该球形包壳10的内表面上依次形成有薄膜光电装置11、二极管12和能量存储装置13。内表面的一部分被分配给天线14。将包括微型无线传感器的剩余子系统的电子部件15通过开口16插入球体中，并使用导线17将其电连接到能量存储元件和天线。使球体内的剩余空间充满填充物18(良性导热体)，且开口由阻塞物19阻塞。

参照图2，球形包壳20覆有橡胶材料21，该橡胶材料21的外表面22被制成为粘性的。天线23从包壳内部延伸并被固定在橡胶层内。

参照图3，球形PV装置形成在中空玻璃球体36的内表面上。在球体内形成的孔24既用于沉积光电层和能量存储层，又用于将装置连接到装有弹簧的连接器26上。随后将以下各层沉积在球体的内表面上：透明导体27、染料敏化TiO₂28和多孔陶瓷绝缘材料29(例如，ZrO₂)。透明导体层扩展成覆盖孔的壁和球体的部分外表面。将电解质加入多孔绝缘材料。在沉积了各层之后，使球体内的空间充满用作PV元件的相对电极的碳基材料30。导电引脚31被固定在碳基材料中。密封材料(sealing)32保证来自外界的湿气和氧气不能渗入装置内部。另外，密封材料防止了电解质的挥发。本装置被固定在支撑物33上(柔性的或刚性的)。装有弹簧的连接器25和26保证该装置和位于支撑物两面上的外部电终端之间的良好的电连接。为了提高该装置的效率，反射镜34被安置于该装置的下面和支撑物的顶部。支撑物内形成的孔35使导电引脚31连接到置于支撑物底部上的装有弹簧的连接器25。

Claims

1.一种光电装置，包括光电元件和包壳，所述光电元件由多层薄膜形成，所述包壳的至少一部分具有曲线轮廓，其中所述光电元件包括多层薄膜并且形成在所述包壳的内表面上，从而在所述光电元件内部留出空间。

2.如权利要求1所述的光电装置，其特征在于所述光电元件的层是不同的化学成分。

3.如权利要求1或权利要求2所述的光电装置，其特征在于所述光电元件的一个或多个层形成在所述包壳内。

4.如权利要求1所述的光电装置，其特征在于所述包壳形成包含所述装置的圆顶。

5.如权利要求4所述的光电装置，其特征在于所述圆顶为半球形。

6.如权利要求4或权利要求5所述的光电装置，其特征在于所述圆顶被安装在形成所述圆顶的基底的基片上。

7.如权利要求1所述的光电装置，其特征在于所述包壳封装所述装置。

8.如权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述包壳为球形。

9.如权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述包壳为多面体形。

10.如上述权利要求1所述的光电装置，其特征在于还包括安装在所述包壳内并电连接于所述光电元件的电子装置，所述光电元件被布置成向所述电子装置提供电源。

11.如权利要求10所述的光电装置，其特征在于所述电子装置包括发送器。

12.如权利要求11所述的光电装置，其特征在于还包括连接到所述发送器的天线，所述天线由所述包壳的导电区域形成。

13.如权利要求11所述的光电装置，其特征在于还包括连接到所述发送器的天线，所述天线由与所述光电元件相邻的导电层形成。

14.如权利要求11所述的光电装置，其特征在于还包括连接到所述发送器的天线，所述天线包括从所述包壳向外延伸的导电部件。

15.如权利要求10至14任一项所述的光电装置，其特征在于还包括能量存储装置，所述能量存储装置形成在所述包壳内部靠近所述光电元件处，并与所述光电元件和所述电子装置电连接。

16.如权利要求15所述的光电装置，其特征在于所述能量存储装置为靠近所述光电元件的层形成的薄膜能量存储装置。

17.如权利要求10所述的光电装置，其特征在于还包括传感器。

18.如权利要求17所述的光电装置，其特征在于所述传感器延伸到所述包壳外部。

19.如权利要求10所述的光电装置，其特征在于所述光电装置为单独模块的形态。

20.如权利要求19所述的光电装置，其特征在于所述光电装置为布置成提供关于环境的信息的微型无线传感器的形态。

21.如权利要求20所述的光电装置，其特征在于所述光电装置被封入弹性外壳内。

22.如权利要求20或权利要求21所述的光电装置，其特征在于具有空气动力的外形。

23.如权利要求20所述的光电装置，其特征在于还包括用于为所述光电装置定向的装置。

24.如权利要求23所述的光电装置，其特征在于所述用于为所述光电装置定向的装置包括所述光电装置的预定重心。

25.如权利要求23所述的光电装置，其特征在于所述用于为所述光电装置定向的装置包括突出到所述光电装置外部的突出部分。

26.如权利要求23、24或25所述的光电装置，其特征在于所述用于为所述光电装置定向的装置包括所述光电装置外表面上的粘性部分。

27.如权利要求1所述的光电装置，其特征在于所述装置被安装在基片上，且被电连接到所述基片。

28.如权利要求27所述的光电装置，其特征在于包括通过所述包壳到达所述装置的导电层的通道，和将所述导电层连接到所述基片的导体。

29.如权利要求28所述的光电装置，其特征在于所述通道覆盖有导电材料。

30.如权利要求27或28所述的光电装置，其特征在于所述基片包括导体网格，且所述光电装置被电连接到所述网格。

31.如权利要求27所述的光电装置，其特征在于所述基片包括凹陷部分，且所述光电装置被安装在所述凹陷部分内。

32.如权利要求27所述的光电装置，其特征在于所述基片包括反射装置，以将入射在所述基片上的辐射反射到所述装置。

33.如上述权利要求27所述的光电装置，其特征在于所述光电元件是薄膜光电元件。

34.如权利要求33所述的光电装置，其特征在于所述薄膜光电元件是染料太阳能电池DSC元件。

35.如权利要求34所述的光电装置，其特征在于所述DSC元件的内部电极包括碳。

36.如权利要求34所述的光电装置，其特征在于所述装置存储有电解质存储器，以为所述DSC元件的电解质层提供电解质供应。

37.如上述权利要求27所述的光电装置，其特征在于弹性材料被提供在所述装置内以保护所述装置的元件并提供机械刚性。

38.一种布置成提供关于环境的信息的微型无线传感器，所述微型无线传感器包括形成在包壳的内表面上的光电元件和插入所述包壳中并电连接到所述光电元件的电子装置，所述光电元件被布置成向所述装置提供电源。

39.如权利要求38所述的微型无线传感器，其特征在于所述光电元件包括多层。

40.如权利要求39所述的微型无线传感器，其特征在于所述光电元件是染料太阳能电池元件。

41.如权利要求38、39或40所述的微型无线传感器，其特征在于所述微型无线传感器被布置成和多个微型无线传感器一同工作。

42.一种光电阵列，包括多个如权利要求27至32任一项所述的安装在所述基片上的光电装置。

43.一种制造光电装置的方法，包括以下步骤：

提供包壳，所述包壳的至少一部分具有曲线轮廓，和

形成由多层不同化学成分构成的光电元件；所述光电元件包括多层薄膜并被形成在所述包壳的内表面上，从而在所述光电元件内部留出空间。

44.如权利要求43所述的制造光电装置的方法，其特征在于还包括以下步骤：

在所述包壳内放置至少以下组件：

发送器，

传感器，

能量存储装置；

电连接这些组件，和

在所述包壳的表面上或在邻近所述包壳的表面处形成天线，所述天线与所述发送器电连接。

45.如权利要求44所述的制造光电装置的方法，其特征在于还包括将所述包壳封入弹性透明外壳内。