专利名称：太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于导电聚合物的太阳能电池及其制造方法。
太阳能电池是近几十年来能够利用的最重要的新能源之一。对太阳能电池的发展已经作出了大量的努力，太阳能电池目前被应用在生产一些消费电子仪器例如手持式计算器的生产中。尽管在太阳能电池的发展中取得了显著的进展，但是增加能量转化效率和降低成本被认为是制造大面积太阳能电池必需的，以更广泛地应用于家庭、汽车或移动通信中。
大部分涉及太阳能电池的已有技术都包括基于硅的半导体材料。一般地，太阳能电池涉及p-n连接(p-n结)，其中沿连接处的电荷分离形成产生电流的基础。最近，已经从C60碳微球(fullerene)形成的连接生产出太阳能电池，其中C60碳微球作为电子受体，与作为电子供体的导电聚合物膜接触。由于具有高的电子亲和力，碳微球起到电子受体的作用。导电聚合物在吸收光之后可起到电子供体的作用。
可以使用某些碳微粒形式的电子受体生产基于导电性聚合物的太阳能电池。另外，碳颗粒可以被卤化以增加其电子亲和力。优选的颗粒具有纳米级的直径并相应地具有大的表面积以使每单位重量的材料增加电子接受能力。碳微粒一般是方便和相对低廉的结合进太阳能电池材料。改善的太阳能电池的结构已经被描述。具体地说，描述了一种波纹状的太阳能电池结构，对整个太阳能电池结构的给定面积(脚印，太阳能电池被光照射的覆盖面)能够显著增加太阳能电池的有效电容量。
本发明的第一方面特征在于一种太阳能电池，该太阳能电池包括，在对光至少部分透明的第一个电极和第二个电极之间安置有供体／受体复合物，该供体／受体复合物包含吸收光并成为电子供体的光吸收聚合物和起到电子受体作用的平均直径为约5 nm到约100 nm的碳微粒。其中光吸收聚合物包含吸收光形成电荷转移状态的聚合物，并且光吸收聚合物可以是共轭聚合物。优选的光电导聚合物包括聚(苯撑乙烯)或取代的聚(苯撑乙烯)。供体／受体复合物可以是波纹状的。
碳微粒是由激光高温分解形成的。优选的碳微粒是半导电的。碳微粒的平均直径为约5 nm到约30 nm。碳微粒被包埋在粘合剂中形成与光敏感、供应电子聚合物接触的一层。碳微粒可以邻近光敏感、供应电子聚合物的表面。在另一个实施例中，碳微粒被分布在光敏感、供应电子聚合物部分。
本发明的另一个方面特征在于一种形成太阳能电池的方法，包括在对光至少部分透明的第一个电极和第二个电极之间安置供体／受体复合物，该供体／受体复合物包含吸收光并成为电子供体的聚合物和起到电子受体作用有合适的电子特性的平均直径为约5 nm到约100 nm的碳微粒。
本发明的另一个方面特征在于一种产生电的方法，包括如下步骤把太阳能电池曝光，该太阳能电池包含在对光至少部分透明的第一个电极和第二个电极之间安置供体／受体复合物，该供体／受体复合物包含吸收光并成为电子供体的光吸收聚合物和平均直径为约5 nm到约100nm的碳微粒。
本发明的另一个方面特征在于一种太阳能电池，它包括对光至少部分透明的第一个电极和第二个电极之间安置的供体／受体复合物，该供体／受体复合物包含吸收光并成为电子供体的光吸收聚合物和电子受体，其中供体／受体复合物是波纹状的，这样供体／受体复合物的表面积比复合物的平面投影面积大至少50％。电子受体可以包含碳微球。在可选择的实施方案中，电子受体包括平均直径为约5 nm到约100 nm的碳微粒。
在一些实施方案中，供体／受体复合物可以是波纹状的，这样供体／受体复合物的表面积比复合物的平面投影面积大至少100％。电子受体可以包括碳微粒或碳微球，其中碳微粒或碳微球被包埋在粘合剂中形成与光敏感、电子供应聚合物层接触的一层。类似地，电子受体包含碳微粒或碳微球，其中碳微粒或碳微球邻近光敏感、电子供应聚合物的表面。在其它的实施方案中，含碳电子受体包括碳粒或碳微球，其中碳微粒或碳微球被分布在光敏感、电子供应聚合物部分。
从本发明的详细的说明和列于下面的权利要求书可以明显得出本发明的其它特点和优点。
附图简述
图1是本发明基本上是平面的实施方案的太阳能电池的示意透视图，其中插图画的是受体层。
图2是本发明波纹状实施方案的太阳能电池的碎块侧视图。
图3是波纹状太阳能电池实施方案的碎块侧视图和平面投影。
图4是在电子供体层表面上涂有一层电子受体微粒的太阳能电池实施方案的碎块侧视图。
图5是在电子供体层部分内分布有电子受体微粒的太阳能电池实施方案的碎块侧视图。
图6是在电子供体层部分内不均匀地分布涂有电子受体微粒的太阳能电池实施方案的碎块侧视图。
优选实施方案的详细描述本文所描述的太阳能电池包括基于导电聚合物的电子供体。已经描述了多种进展，包括使用相对低廉和通用的碳微粒来代替碳微球。这些碳微粒可以与光导聚合物结合形成供体／受体复合物。在电极之间放置太阳能电池结构就完成了太阳能电池。优选的实施方案具有基本上不是平面的光吸收表面以对给定的电池的平面表面积增加电流。换句话说，通过使供体／受体复合物成波纹状增加电池的有效表面积。为了生产波纹状的光转化层描述了合适的材料。
A．太阳能电池的结构参照图1，太阳能电池100的第一个实施方案一般包括一个电子供体层102，该供体层对应于光就变成电子供体。电子受体层104位于电子供体层102附近。电子受体层104可以包括可选在粘合剂108中的电子接受微粒106，如图1的插图所示。电子供体(D)层102和电子受体(A)层104形成D-A型异质连接(供体／受体复合物)，与半导体p-n连接(p-n结)的功能类似。
电子供体层102和电子受体层104的界面可以基本上是平面的，这样界面面积基本上等于各层的面积。或者是，界面可以是不均匀的或粗糙的，这样界面的面积就显著大于电子供体层102或电子受体层104的面积。电子供体层102和电子受体层104的面积被定义为忽略任何表面粗糙度。
电子受体层与电导电极110接触。类似地，电子供体层102与透明电极112接触。透明电极112可选被惰性透明层114保护。太阳能电池100可以安装在与电极110接触的基质载体上。光通常被导到透明电极112，这样光就被传送到电子供体层102。透明电极可以包括对所需波长的光抗反射的表面。按照标准操作，可以设计一个抗反射涂层，这样从抗反射涂层两个表面反射的光通过相消干涉就基本上消去。
在另外一个实施方案中，至少电子供体层和电子受体层(即，供体／受体复合物)形成基本上是非极性的结构。参照图2，高表面积太阳能电池包括非平面电子供体层202。类似成型的电子受体层204临近电子供体层202。对于电子受体层和电子受体层之间的界面波纹与所有表面的粗糙度无关。电子供体层202和电子受体层202的面积被限定，这是202层和204层形成波纹的原因。
优选地，透明电极206和电极208具有类似的形状，如图2中示意画出的那样。如果需要的话，电极208可以是透明的或反射的。可以使用一个可选的透明层覆盖透明电极206以具有与透明电极相同或不同的形状。另外，基质载体可以一般固定高表面积太阳能电池200，该太阳能电池可以或不必具有与电极208类似的形状。
电子供体层202和电子受体层204的复合物的形状可以选择产生所需量的电流产出。从生产考虑，给定一种特定选择材料可以影响波纹的特定形状和程度。较大的波纹度增加了有效表面积，同时对固定的横截面厚度增加了使用材料的总量。
对于给定的表面积如果需要的话可以选择波纹的形状。例如，曲率可以相对局部化以产生更折叠的结构。或者是，曲率可以沿材料展开以产生更类似波纹的效果。产生波纹有可能使电子供体层的表面积比电子供体层的平面投影面积增加许多倍。在极端情况下组件可以基本上都是折叠的以产生紧密折叠的结构。然后从褶的厚度测定表面积。
波纹程度优选产生比电子供体层的平面投影至少大于40％、更优选至少大于100％、甚至更优选大于300％的电子供体层表面积。参照图3，画出一个包括至少一个电子供体层和相关的电子受体颗粒的波纹太阳能电池280，其中太阳能电池280的表面积约为太阳能电池280平面投影282面积的200％。一般地，一个特定的投影面是一个自然面，通过它存在，并且切面是固体表面供体层切面就会位于切面上。与自然面相切的平面产生等同的投影。对于有大量波纹的太阳能电池，在平行于自然面的平面上的投影的投影面积有最大值或近似投影面的最大值。如果需要的话，太阳能电池280可以具有与波纹无关的总曲率。
虽然电子供体层和电子受体层被描述为截然不同的层，但它们不必是截然不同的层。例如，对应于电子受体的微粒300可以被涂布在电子供体层304的表面302，如图4示意所示，以形成供体／受体复合物。透明电极306与电子供体层304接触。电极308与微粒300接触。
或者是，微粒310可以被分布到电子供体层312中，如图5中示意所示，以形成供体／受体复合物。微粒310被分布在朝向电极314的电子供体层312中。不含微粒310的电子供体层312朝向透明电极316。微粒320沿电子供体层322一部分的分布可以是不均匀的，如图6中示意所示。一般地，较高密度的微粒320位于朝向电极324的电子供体层322的一侧。朝向透明电极326的电子供体层部分322不含微粒320或含有低密度的微粒320。
太阳能集电器通常包括多个分开的太阳能电池。一般地，多个电池并适当地以串联和并联的形式连接以获得所需的电压和电流。
B．材料电子供体材料一般在曝光时成为电子供体。合适的材料包括π-电子半导电(共轭)聚合物。曝露到光下激发这些聚合物的π电子进入传导(即，激发态)轨道。换句话说，聚合物吸收光以产生激发电子态，该激发态易形成电荷转移状态。在美国专利5，454，800中公开了一些合适的聚合物，在此引用作为参考，例如图1所列。特别优选的聚合物包括苯乙烯聚合物、例如聚(2-甲氧基，5(-2’-乙基-己氧基)-p-苯乙烯)。聚合物层可以被挤压、旋转铸造等。聚合物的厚度应当使聚合物对光的吸收在有电子接受微粒的界面附近。
用作电子受体的化合物应当起到在聚合物吸收光后接受从导电聚合物的电子的作用。合适的受体化合物应当具有足够高的电负性。例如，电子接受半导体微粒可以被用作电子受体。合适的半导体微粒的生产见美国专利5，413，226，在此引用作为参考。
优选的电子受体是含碳化合物。碳微球例如巴氏碳微球、C60已知为通常能接受多电子的很好的电子受体。已经发现碳微球C70具有循环伏安研究中类似的反应，如P．-M．Allemand等描述的J．Am．Chem．Soc．1131050-1051(1991)。美国专利5，454，880描述了其它能作为合适的电子受体有机化合物，包括，例如聚喹啉和四氰基对醌二甲烷。
其它的电子受体包括精选的碳黑。碳黑包括烃脱氢产生的多种碳颗粒。可以使用多种方法生产碳黑，包括例如天然气热分解(热碳黑)、乙炔放热分解(乙炔碳黑)、等离子弧中的乙烯分解(等离子碳黑)、天然气部分燃烧(槽法炭黑)和油滴部分燃烧(炉法炭黑)。碳黑可以有多种形态，这取决于制备它们的方法和在生产过程中的条件。尤其是，碳黑颗粒通常包括大量石墨区域结构以及较少的不整齐(无定型)区。
碳微粒例如碳黑也表现出许多推测与微粒形态有关的特性。可以选择碳黑以呈现使微粒适合于用作太阳能电池中的电子受体的电子亲和力。优选的碳黑是半导体。进而，优选的碳黑直径小于约100 nm并更优选小于约30nm。每单位重量直径小的微粒具有较高的表面积这样它们就能起到更有效的电子受体的作用。
已经用激光高温分解生产了纳米级碳微粒。其生产方法见X．-X．Bi等，“用CO2激光高温分解生产纳米级碳黑”，材料研究杂志，10，2875-2884(1995)。因为这些碳微粒的尺寸很小(直径约30 nm)，它们有很大的表面积。碳黑通常具有复合物微粒形态。观察到激光碳黑(用激光高温分解产生的碳黑)比对应的热形成碳黑具有更大的无序。还观察到在高达约2800℃的温度下的热处理增加了颗粒的石墨特性。可以改变热处理的程度以改变作为电子受体的微粒的性能。
另外，碳微粒和碳微球可以被卤化以增加其作为电子受体的性能，特别优选是氟化作用。可以使用例如包括元素氟(F2)的气体进行氟化作用。也可以使用氢氟酸进行氟化作用。对氯化剂中的碳微球／氯混合物进行紫外照射也可以产生氯化的碳微球。
可以从氧化铟、氧化锡、氧化铟锡、一薄层金属例如金或银等形成透明电极。透明电极可以只对光是部分透明的。电极包括抗反射涂层。与电子受体接触或邻近的电极可以由类似的透明材料，或者是从包括其它或较厚金属层的不透明导体制成。涂层可以层叠在一起，或通过旋转涂布、挤压等在电极层上形成聚合物层。如果它沉积的表面足够稳定，金属电极可以是蒸气沉积的。
电子供体／电子受体复合物优选是相对较薄，以产生有效的结构而不必使用不需要量的材料。根据所需的最后结构，电子受体微粒能适当沉积。如果受体微粒形成独立的层，它们可以直接沉积在邻近的层通常是受体层上。如果受体微粒在聚合物粘合剂中，受体微粒可以与聚合物混合，在形成涂层之前作为熔体或在有溶剂的溶液中。
有受体颗粒包埋在层中形成供体层可以通过在供体层上制备一层受体微粒，然后用或不用热或其它合适方法压延涂布的聚合物。或者是，有受体颗粒包埋在层中形成供体层可以包括形成在其中有受体颗粒的供体层，然后层压上一层没有受体微粒的第二供体层，同时对两层共挤压，在其形成的合适点把受体微粒涂布到供体层，这样受体微粒就可以部分扩散进供体层中，或者使用其它的技术。
在形成电子供体／电子受体复合物的同时或在形成电子供体／电子受体复合物后可以进行任何形成波纹作用以使产生高的表面积层。可以通过任何所需的处理聚合物薄膜的技术形成波纹。例如，可以在起到载体或电极作用的波纹表面上形成聚合物薄膜。如果薄膜弹性足够，在形成薄膜后可以用多种方法进行成皱。
上述实施方案的目的是起代表作用，本发明并不局限于此。本发明的另外的实施方案在权利要求书中。正如本领域技术人员将理解的那样，本领域技术人员可以对上述方法和设备进行许多改变而不偏离本发明的精神和范围，本发明的精神和范围只局限于下面的权利要求书中。
尽管参照优选的实施方案描述了本发明，本领域技术人员将认识到可以进行许多形式和细节的改变而不偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1．一种太阳能电池，包含有在对光至少部分透明的第一个电极和第二个电极之间安置的供体／受体复合物，该供体／受体复合物包含吸收光并成为电子供体的光吸收聚合物和起到电子受体作用的平均直径为约5 nm到约100 nm的碳微粒。
2．根据权利要求1所述的太阳能电池，其中光吸收聚合物包含吸收光形成电荷转移状态的聚合物。
3．根据权利要求1所述的太阳能电池，其中光吸收聚合物包含共轭聚合物。
4．根据权利要求3所述的太阳能电池，其中光吸收聚合物是聚(苯乙烯)或取代的聚(苯乙烯)。
5．根据权利要求1所述的太阳能电池，其中碳微粒是由激光高温分解形成的。
6．根据权利要求1所述的太阳能电池，其中碳微粒是半导电的。
7．根据权利要求1所述的太阳能电池，其中碳微粒的平均直径为约5 nm到约30 nm。
8．根据权利要求1所述的太阳能电池，其中供体／受体复合物是波纹状的。
9．根据权利要求1所述的太阳能电池，其中碳微粒被包埋在粘合剂中形成与光吸收聚合物层接触的一层。
10．根据权利要求1所述的太阳能电池，其中碳微粒邻近光吸收聚合物的表面。
11．根据权利要求1所述的太阳能电池，其中碳微粒被分布在光吸收聚合物部分。
12．一种形成太阳能电池的方法，包括在对光至少部分透明的第一个电极和第二个电极之间安置供体／受体复合物，该供体／受体复合物包含吸收光并成为电子供体的光吸收聚合物和起到电子受体作用有合适的电子特性的平均直径为约5 nm到约100 nm的碳微粒。
13．一种产生电的方法，包括如下步骤把太阳能电池曝光，该太阳能电池包含在对光至少部分透明的第一个电极和第二个电极之间安置供体／受体复合物，该供体／受体复合物包含吸收光并成为电子供体的光吸收聚合物和平均直径为约5 nm到约100 nm的碳微粒。
14．一种太阳能电池，包含在对光至少部分透明的第一个电极和第二个电极之间安置有供体／受体复合物，该供体／受体复合物包含吸收光并成为电子供体的光吸收聚合物和电子受体，其中供体／受体复合物是波纹状的，这样供体／受体复合物的表面积比复合物的平面投影面积大至少50％。
15．根据权利要求14所述的太阳能电池，其中电子受体包含碳微球。
16．根据权利要求14所述的太阳能电池，其中电子受体包含的碳微粒平均直径为约5 nm到约100 nm。
17．根据权利要求14所述的太阳能电池，其中供体／受体复合物是波纹状的，这样供体／受体复合物的表面积比复合物的平面投影面积大至少100％。
18．根据权利要求14所述的太阳能电池，其中电子受体包含碳微粒或碳微球，其中碳微粒或碳微球被包埋在粘合剂中形成与光吸收聚合物层接触的一层。
19．根据权利要求14所述的太阳能电池，其中电子受体包含碳微粒或碳微球，其中碳微粒或碳微球邻近光吸收聚合物的表面。
20．根据权利要求14所述的太阳能电池，其中电子受体包含碳微粒或碳微球，其中碳微粒或碳微球被分布在光吸收聚合物部分。
全文摘要
基于聚合物的太阳能电池包括作为电子受体的纳米级碳微粒。纳米级碳微粒可以是合适的碳黑,尤其是改性激光碳黑。在吸收光时导电聚合物被用于太阳能电池中作为电子供体。优选的太阳能电池结构包括供体/受体复合物材料形成波纹,这样对太阳能电池的给定总面积就增加了电量。
文档编号H01L51/42GK1280709SQ98811755
公开日2001年1月17日 申请日期1998年12月7日 优先权日1997年12月10日
发明者神部信幸, 彼得·S·达尔迪 申请人:美商纳克公司