光伏纱和生产方法与流程

发明领域

本发明涉及光伏纱和生产方法，其可利用日光发电且其被特别地开发用于纺织工业。

发明背景

在地球上使用的能源被迅速消耗；另一方面，对这些能源的需求逐渐增加。由于近年来使用产生热量和其它环境威胁的化石燃料的能量消耗技术，对清洁能源的兴趣已经增加。因此，作为尤其长寿命的天然来源的太阳用作一种替代能源。太阳能电池或光伏结构是包含半导体材料的半导体设备，其将来到它们表面的太阳光直接转换成电能，其具有长寿命、耐用性且不引起环境污染。

太阳能电池可被分为以下3类：

1)第一代：结晶硅太阳能电池(c-si和mc-si)

2)第二代：薄膜太阳能电池(a-si、cdte、cis或cigs)

3)第三代：基于纳米技术的有机太阳能电池。

今天，虽然第一代太阳能电池没有大量的商业份额和常见的生产现场，光伏电池的生产成本和在生产期间消耗的能量相当大。因此，研究聚焦在降低所用的材料，和用简单和容易的技术减少太阳能电池的成本。今天，对这个主题进行的科学研究被分成两类，即有机和无机基础的。无机光伏电池相对于有机电池的效率更高；然而在柔性基板上涂布用有机材料制备的有机光伏，应用于广泛的领域，是重量轻的和廉价的，容易生产和容易改变它们的化学特性，并通过使用连续的压制技术生产，使得它们在光伏电池市场中具有吸引力。

有机太阳能电池研究集中于两类材料。这些材料是经历湿法和真空过程的材料。由于经历湿法的材料通常应溶解于有机溶剂，针对有机材料提供侧链功能性，并且它们能够溶解于普通有机溶剂。旋涂、刮刀法、丝网印刷、喷墨印刷、卷对卷方法(rolltorollprocess)可应用于经历湿法的材料。

一般来说，共轭的聚合物用作电子供体材料，而富勒烯或有机小分子用作有机光伏电池中的电子受体材料。在体积异质结光伏电池(volumeheterojointphotovoltaiccells)中，供体-受体材料被混合以形成一个穿透到另一个内的纳米级规模的网格。采用这种方法，供体-受体中间的表面在整个体积上涂布且接触表面增加。采用最简单的定义，有机太阳能电池通过将活性层置于两个电极之间制得。有机聚合物层吸收太阳光并形成电子和空穴对(激发子)。用中间表面中势能的突变生成强电场。激发子对因生成的电场彼此分开。在电荷分开后，电子向阴极移动，而空穴向阳极移动。电流和电压以这种方式生成。

光伏织物是可利用太阳光发电的结构。借助通过使用太阳能电池或整合于其上而不失去其自身的特性的织物材料(织物、纱等)，在织物产品上形成的光伏结构可生产具有在许多领域使用的潜在性的光伏织物或光伏纤维。

今天，各种金属丝、聚合物涂布的织物产品(织物、纱等)用作通过使用有机材料生产的光伏纤维、带或织物的基板。金属、金属氧化物或具有电导性的导电聚合物被涂布在基板上。基于有机物的光敏材料、电子供体共轭的聚合物、电子受体富勒烯或有机小分子被用各种方法涂布于该层上。通过在光敏层上涂布作为上电极的各种金属例如铝(al)、银(ag)和金(au)，形成光伏结构。在光伏结构中，为了能使入射光到达光敏层，用作上电极的金属被涂布约10nm的厚度。在光伏结构中，涂布非常薄的金属上电极既用作半透光层，又用作导电层。

然而在今天使用的这些方法中，在涂布用作光伏结构中的电极的金属时需要真空介质。涂布金属需要昂贵的真空系统。这些系统限制了要涂布的材料的长度且它具有在单面上执行涂布的缺点。

而且，当这些金属被涂布为其中光来自光伏结构中的侧面上的上电极时，它负面地影响电导，因为它以薄的形式涂布，以提供光透性。此外，在真空结构涂布的金属限制光伏结构的柔韧性。

发明简述

本发明的目的是提供一种光伏纱生产方法，其中镓-铱(iridium)合金用于光伏结构。

本发明的进一步的目的是提供一种光伏纱生产方法，其中涂布无需真空系统执行。

本发明的又一个目的是提供一种光伏纱生产方法，其中涂布在大气或惰性气体介质中执行。

本发明的进一步的目的是提供一种光伏纱，其由多层以及阳极和阴极构成。

发明详述

为实现本发明的目的开发的“光伏纱和生产方法”在附图中举例说明，其中，

图1是本发明的光伏纱的一个实施方案的透视图，其中可观察到各层。

图2是本发明的光伏纱的另一个实施方案的横截面图，其中可观察到各层。

图3是本发明的光伏纱的进一步的实施方案的横截面图，其中可观察到各层。

图4是本发明的光伏纱生产方法的流程图。

属于光伏纱的图中的要素编号如下：

1.光伏纱

2.纱

3.中间层

4.阴极层

5.电子传输层(空穴防止层)(etl)

6.活性层

7.空穴传输层(电子防止层)(htl)

8.光渗透和导电层(阳极层)

a.光

本发明的光伏纱(1)基本包含

-至少一个膨体纱(2)，

-至少一个中间层(3)，其覆盖纱(2)并增加纱(2)的粘附强度，

-至少一个阴极层(4)，其借助于中间层(3)通过附着于纱(2)上被涂布且其具有光伏结构，

-至少一个活性层(6)，其位于阴极层(4)上，包含电子受体和电子供体材料，且其具有光伏结构，

-至少一个阳极层(8)，其能够借助于其光渗透结构将来自任何光源的光(a)转移至其它各层，并通过与阴极层(4)相互作用进行导电。

在本发明的一个实施方案中，在阴极层(4)和活性层(6)之间存在至少一个电子传输层(5)。在本发明的这个实施方案中，电子传输层(5)防止阴极层(4)和活性层(6)的中间表面上的电荷载流子的重组，并在电荷载流子中只允许电子通过。而且，该层(5)通过形成中间能阶(energystep)以消除电极和有机半导体之间的能量势垒，增加电荷收集效率。取决于其中所用材料的特征，该层(5)也增加光伏结构的稳定性。

在本发明的一个实施方案中，在活性层(6)和阳极层(8)之间存在空穴传输层(htl)(电子防止层)。空穴传输层(7)仅允许空穴从活性层(6)通过至阳极层(8)，并防止与电子重组。而且，该层(7)通过形成中间能阶以消除电极和有机半导体之间的能量势垒，增加电荷收集效率。取决于在htl(7)内使用的材料的特征，它也增强阳极层(8)对活性层(6)的附着以及增加光伏结构的稳定性。

本发明的光伏纱(1)基本由位于阴极层(4)和阳极层(8)(阴极/活性层/阳极)之间的活性层(6)构成。为增加稳定性和效率，它可仅通过将电子传输层(5)置于阴极层(4)和活性层(6)之间来形成(阴极/etl/活性层/阳极)，以及它可通过仅将空穴传输层(7)置于活性层(6)和阳极层(8)之间来形成(阴极/活性层/htl/阳极)。本发明的光伏纱(1)也可通过使用电子传输层(5)和空穴传输层(7)二者形成(阴极/et/活性层/htl/阳极)。

本发明的光伏纱(1)的生产方法(100)在大气或惰性气体介质中进行，并包括以下步骤：

-清洁纱(2)(101)，

-通过在纱(2)上应用表面加工或涂布纱(2)表面，形成中间层(3)(103)，

-在中间层上形成阴极层(4)(103)，

-在电子受体和电子供体有机材料溶解于溶剂并混合它们后，涂布为活性层(6)(104)，

-制备能够光渗透和电导的溶液并涂布为阳极层(8)(105)。

形成本发明的光伏纱(1)的内部结构的纱(2)在它被涂布之前，通过分别通过甲醇、异丙醇，和蒸馏水加工来清洁(101)。在本发明的一个实施方案中，在纱(2)被涂布之前，用机械或化学磨损和紫外线臭氧化，应用表面加工以增强纱(2)和阴极层(4)之间的附着力(102)。在另一个实施方案中，基于聚合物的溶液例如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或聚乙烯醇(pva)被涂布在清洁的纱(2)上并应用热处理，因此，中间层(3)在纱(2)上形成(102)。中间层(3)或表面加工应用被用来增加纱(2)和阴极层(4)之间的保持力。

在中间层(3)上形成的阴极层(4)是光伏结构中的镓-铟(ga-in)合金，且它在室温条件下被涂布(103)。ga-in合金可作为阴极起作用，因为它与所有的电子受体材料的lumo(最低未占据分子轨道)能级相容。而且，因为它在室温条件下是液体形式，它可无需任何真空系统涂布在所需表面上。在本发明的一个实施方案中，阴极层(4)被用刷铺展涂布在中间层(3)上(103)。阴极层(4)能够传输在活性层中生成的电子。

在本发明的一个实施方案中，电子传输层(5)被涂布在阴极层(4)上。为此目的，在基于溶液的材料例如二氧化钛(tio2)、氧化锌(zno)或碳酸铯(cs2co3)在大气介质中用淋漓、浸渍或喷雾作为电子传输层(5)涂布后，进行热处理以除去溶剂。

在本发明的一个实施方案中，涂布在阴极层(4)上的活性层(6)，和在另一个实施方案中，涂布在电子传输层(5)上的活性层(6)，是体积异质结层，其包含在其结构中的电子受体和电子供体有机材料二者。所述层(6)吸收来自太阳的光，且它是其中形成电子和空穴对(激发子)和自由电荷通过在中间表面上分离而生成的层。为获得形成活性层(6)的材料，p-型聚(3-己基噻吩)(p3ht)、聚[n-9'-十七烷基-2,7-咔唑-alt-5,5-(4',7'-二-2-噻吩基-2',1',3'-苯并噻二唑)](pcdtbt)、聚[2,6-(4,4-双-(2-乙基己基)-4h-环戊二烯并[2,1-b;3,4-b']二噻吩)-alt-4,7(2,1,3-苯并噻二唑)](pcpdtbt)、聚({4,8-双[(2-乙基己基)氧基]苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-2,6-二基}{3-氟-2-[(2-乙基己基)羰基]噻吩并[3,4-b]噻吩二基})(ptb7)和这样的作为电子供体的半导电聚合物；n-型碳-60衍生的[6,6]-苯基-c61-丁酸甲酯(pcbm)；(6,6)-苯基c71-丁酸甲酯(pc71bm)、1',1'',4',4''-四氢-二[1,4]甲桥萘并[1,2:2',3',56,60:2'',3''][5,6]富勒烯-c60、c60衍生物、茚-c60双加成物(icba)和这样的作为电子受体的半导电聚合物被溶解于一定量的有机溶剂例如氯苯、二氯苯和氯仿中并制备均匀的混合物。经制备的所述混合物在大气或惰性气体介质中，采用诸如淋漓、浸渍和喷雾的方法作为活性层(6)涂布，然后应用热处理以除去溶剂(104)。

在本发明的一个实施方案中，光渗透空穴传输层(7)被涂布在活性层(6)上。为此目的，通过使五氧化二钒(v2o5)、三氧化钼(moo3)、三氧化钨(wo3)或氧化镍(nio)溶解于合适的溶液制备的溶液在大气中，用淋漓、浸渍或喷雾进行涂布，然后应用热处理以除去溶剂。空穴传输层(7)增加阳极层(8)在表面上的附着以及它具有光伏结构。

聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(pedot:pss)和具有高导电率和光渗透率和大的功函数的衍生物用作阳极层(8)。加入二甲亚砜(dmso)以增加pedot:pss的电导率，和加入氚核x-100以降低表面张力并增加可润湿性。在本发明的优选的实施方案中，pedot:pss混合物以质量计包含5%dmso、0.1%氚核x-100。经制备的这种混合物在大气介质中，用诸如淋漓、浸渍和喷雾的方法涂布，然后应用热处理以除去溶剂(105)。在本发明的另一个实施方案中，氧化铟锡(ito)、石墨烯或碳纳米管也可用作阳极层(8)。

在本发明的一个实施方案中，阳极层(8)被涂布在活性层(6)上，而在本发明的另一个实施方案中，它被涂布在空穴传输层(7)上(105)。阳极层(8)能够传输在活性层(6)中的生成的空穴。

如果有机材料不能防止氧和湿气，它们在很短的时间内腐蚀。然而，大多数技术应用需要在环境条件下操作。因此，封装过程在生产后执行，以延长聚合物太阳能电池的寿命。

在有机太阳能电池中将光转变为电流基本上以5个步骤实现。

1.在光来自太阳，换句话说光子被吸收和形成电子-空穴对(激发子)后实现激发态

2.激发子通过(扩散)至供体-受体中间的表面，在那里电荷分离将实现

3.激发子电荷分离在供体-受体中间的表面上实现

4.分离的自由电荷载流子(换句话说，空穴)向阳极扩散而电子向阴极扩散

5.最后在合适的电极收集电荷，换句话说在阳极收集空穴和在阴极收集电子以获得直流电。

在来自太阳的光子能量大于有机半导体的禁带宽度能量的情况下，光子被半导体材料吸收，而电子留下一个空穴并从homo(最高未占据分子轨道)水平到达lumo(最低未占据分子轨道)水平，并且它在彼此连接的电子-空穴对活性层(6)内形成并称为激发子。激发子向供体-受体中间的表面移动，且如果激发子在它们的寿命期间不能到达中间表面，电子和空穴重组和这种能量以热或光的形式出现。因此，两层结构的厚度用激发子扩散的长度限制。在聚合物和有机半导体中的激发子扩散长度是约5-10nm。形成的具有库仑相互作用的这些电子和空穴彼此连接，和在有机半导体中的激发子连接能量相对于无机半导体是更高的。因此，在室温下的光刺激在有机半导体中不形成自由电荷载流子。激发子需要强电场，以使它们可变为自由电荷载流子。这些强电场在中间表面可能具有突然的势能变化(e=-gradu)。在形成的自由电荷载流子中，空穴向阳极层(8)移动，和电子向阴极层(4)移动。在有电子传输层(5)的情况下，它仅允许电子通过至相关的电极，并且类似地在有空穴传输层(7)的情况下，它仅允许空穴通过至相关的电极，并防止反向电荷转移。为获得太阳能电池的有用的功率输出，需要自由电荷载流子以转移到合适的电极。在形成的自由电荷载流子中，电子被收集在低功函数阴极层(4)中，而空穴被收集在高功函数阳极层(8)中。为了使来自太阳的光子到达活性层(6)，其中光所来自的侧面上的各层应具有高的光渗透率。在本发明的光伏纱中，空穴传输层(7)和/或阳极层(8)应具有高光渗透率和传导。