太陽能涂料材料和使用太陽能涂料材料的涂刷系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提出被構(gòu)造用于將表面轉(zhuǎn)換成光伏電池的電極布置和多個微結(jié)構(gòu)。該電極布置包括至少兩組導(dǎo)線，所述導(dǎo)線包括具有涂層的線，所述涂層被構(gòu)造成允許選擇性傳輸電荷載流子。所述線被構(gòu)造成從其周圍介質(zhì)收集電荷。導(dǎo)線組布置成網(wǎng)格形式，使得不同線彼此疊加從而限定電荷收集區(qū)域，并且在所述電荷收集區(qū)域中彼此絕緣。
【專利說明】
太陽能涂料材料和使用太陽能涂料材料的涂刷系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于采集太陽能的技術(shù)。本發(fā)明提供了用于將所選擇表面作為光伏表面操作的材料和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]對能量的需求一直上升并且化石燃料的各種替代品變得越來越可獲得。使用太陽能正變成最具前景的替代品之一。使用這個再生能源提供了將從電磁光輻射轉(zhuǎn)換成電力的大量可用能量。
[0003]典型的商購太陽能采集系統(tǒng)利用了為了采集光學(xué)能量而準(zhǔn)備并且將采集的能量轉(zhuǎn)換成電力的預(yù)配置太陽能面板。這些面板設(shè)置有合適的電連接，用于從面板的不同區(qū)域收集生成的電荷載流子并且將收集到的能量導(dǎo)向電網(wǎng)、存儲裝置(例如，電池)和/或負(fù)載。
[0004]已經(jīng)開發(fā)了各種類型的光伏系統(tǒng)和技術(shù)，從而提供了不同類型的太陽能面板以及將光轉(zhuǎn)換成電的額外構(gòu)造。例如:
[0005]US2009/217，973描述了一種光伏裝置，該光伏裝置具有第一電極層、設(shè)置在第一電極上的高阻透明膜、第二電極層、和設(shè)置在第一電極層和第二電極層之間的無機(jī)光敏層，其中，無機(jī)光敏層被設(shè)置成與高阻透明膜至少部分電接觸，并且與第二電極至少部分電接觸。無機(jī)光敏層具有第一無機(jī)材料和與第一無機(jī)材料不同的第二無機(jī)材料，其中，第一無機(jī)材料和第二無機(jī)材料表現(xiàn)出II型帶偏移能量分布，并且其中，無機(jī)光敏層具有第一無機(jī)材料的納米結(jié)構(gòu)的第一群體和第二無機(jī)材料的納米結(jié)構(gòu)的第二群體。
[0006]US 2013/263,918描述了光伏納米復(fù)合物和包括光伏納米復(fù)合物的太陽能電池裝置，其中，光伏納米復(fù)合物包括具有選自η型量子點(diǎn)和η型納米晶體的η型材料和選自P型量子點(diǎn)和P型納米晶體的P型材料的經(jīng)溶液處理后的半導(dǎo)體材料的膜，并且其中，η型材料具有相比于真空能級至少與P型材料的導(dǎo)帶能級相等的導(dǎo)帶能級，P型材料具有相比于真空能級至多與η型材料的價帶相等的價帶。η型材料的至少一部分和P型材料的至少一部分存在于具有η型材料和P型材料的混合物的體納米異質(zhì)結(jié)二元納米復(fù)合層中。
[0007]WO 2013/111，160公開了用于制造染料敏化太陽能電池(DSSC)的室溫處理。特別地，該發(fā)明公開了用于制備能不費(fèi)力固化、無粘結(jié)劑的基于二氧化鈦的太陽能涂料的室溫處理，提供了在室溫下制造DSSC時使用的高轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本領(lǐng)域中需要允許將不同類型的表面轉(zhuǎn)換成光伏面板的高效技術(shù)。本發(fā)明提供了基于合適的微結(jié)構(gòu)指定的類型的新型技術(shù)。本文中描述的技術(shù)和微結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于暴露于電磁輻射的任何期望表面并且為表面賦予光伏功能。
[0009]因此，根據(jù)本發(fā)明的一些方面，提供了一種被構(gòu)造用于在光轉(zhuǎn)換中使用的微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)總體上由結(jié)區(qū)域和至少兩個電荷選擇性區(qū)域構(gòu)造。例如，微結(jié)構(gòu)可以是各向異性棒狀微結(jié)構(gòu)，具有由第一材料(例如，第一半導(dǎo)體)構(gòu)成的第一區(qū)域和由第二材料(例如，第二半導(dǎo)體)制成的第二區(qū)域?？傮w上，至少一種材料或這些材料的組合具有與太陽能譜的至少部分相符的吸收譜，從而允許吸收撞擊到微結(jié)構(gòu)上的環(huán)境光。第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的界面提供了結(jié)區(qū)域，該結(jié)區(qū)域被構(gòu)造成致使在第一區(qū)域和第二區(qū)域之間分離因吸收而生成的電荷載流子。
[0010]根據(jù)一些其他示例，微結(jié)構(gòu)可被構(gòu)造為各向異性三維結(jié)構(gòu)，該三維結(jié)構(gòu)包括被構(gòu)造用于響應(yīng)于一個或更多個波長范圍的輸入電磁輻射的吸收來生成自由電荷載流子并且在不同電荷載流子之間分離的區(qū)域?？蓪⒍鄠€這些微結(jié)構(gòu)施涂到期望表面上，以容易將表面轉(zhuǎn)換成響應(yīng)于輸入的電磁福射來生成自由電荷載流子的光伏表面?？赏ㄟ^沿著表面的適宜特定布線來收集生成的自由電荷載流子，以提供電能。
[0011]另外，本發(fā)明還提供了一種液相物質(zhì)，該液相物質(zhì)可包括或接觸多個各向異性微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成響應(yīng)于輸入的電磁輻射來生成自由電荷載流子?？扇菀讓⑦@種液體物質(zhì)施涂到表面上，并且在通過向液體物質(zhì)施加熱(例如，借助施加的用于固化或干燥物質(zhì)的電磁福射和/或溫度場)來硬化它時，微結(jié)構(gòu)在附連到表面的同時，保持沿著表面分布。
[0012]另外，液體物質(zhì)/混合物可包括合適的傳導(dǎo)選擇性化合物，傳導(dǎo)選擇性化合物被構(gòu)造成與微結(jié)構(gòu)的合適區(qū)域相互作用并且在表面上的液體混合物硬化之后長時間地維持這種相互作用。傳導(dǎo)選擇性化合物被選擇成能夠提供從微結(jié)構(gòu)到其周圍的自由電荷載流子的電荷選擇性傳輸。更具體地，液體混合物可包括至少第一類型的傳導(dǎo)選擇化合物和第二類型的傳導(dǎo)選擇化合物，選擇第一類型的傳導(dǎo)選擇化合物和第二類型的傳導(dǎo)選擇化合物，使得第一化合物類型被構(gòu)造成允許電子從微結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到周圍介質(zhì)中的特定電子傳導(dǎo)材料，第二化合物類型被構(gòu)造成允許空穴從微結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到周圍介質(zhì)中的特定空穴傳導(dǎo)材料。以下，進(jìn)一步更具體地描述這種微結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。
[0013]此外，本發(fā)明提供了一種電極布置，該電極布置被構(gòu)造成根據(jù)具體情況從上述“光伏”表面或一般從任何光伏表面收集生成的自由電荷載流子。電極布置包括至少兩組導(dǎo)線，各組導(dǎo)線被構(gòu)造成(例如，用合適涂層進(jìn)行處理)選擇性地允許從其周圍收集電荷載流子。至少兩組線被構(gòu)造成沿將被其收集電荷載流子的表面散布。不同組的導(dǎo)線優(yōu)選地沿著用于收集其中生成的電荷載流子的區(qū)域布置并且在選擇的區(qū)域內(nèi)彼此疊加，同時彼此絕緣。
[0014]應(yīng)該注意，至少兩組線可被構(gòu)造成，使得第一線組允許收集正電荷載流子(S卩，空穴、陽離子等)。而第二線組允許收集負(fù)電荷載流子(即，電子、陰離子等)。為了提供這種電荷選擇性，可用電荷傳輸選擇性材料涂覆第一線組和第二線組。這些材料可包括用于第一線組的電子阻擋涂層和用于第二線組的空穴阻擋涂層。例如，可將MO涂層施涂到第一線組上，以防止收集電子。第二線組可被涂覆氧化鋅(ZnO)層，從而防止收集空穴并且允許第二線組進(jìn)行電子收集。
[0015]可組裝液體混合物/物質(zhì)、微結(jié)構(gòu)(和傳導(dǎo)選擇性化合物)和電極布置，以提供用于制備光伏轉(zhuǎn)換的表面的套件。該套件包括作為涂料層施涂于期望表面的液體混合物和微結(jié)構(gòu)。另外，可沿著用于收集微結(jié)構(gòu)生成的自由電荷載流子的表面伸展電極布置。
[0016]更具體地，微結(jié)構(gòu)被總體構(gòu)造為三維結(jié)構(gòu)，該三維結(jié)構(gòu)具有至少三個功能上不同的區(qū)域，這些區(qū)域包括用于吸收一個或更多個預(yù)定波長范圍的入射電磁輻射的至少一個吸收區(qū)域和用于迀移通過光吸收生成的自由電荷載流子的至少兩個電荷選擇性傳輸區(qū)域。微結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成，使得在吸收區(qū)域中吸收的輸入光生成在結(jié)區(qū)域中離開彼此而迀移的一對電荷載流子并且電荷選擇性傳輸區(qū)域?qū)⑷绱松傻碾姾奢d流子迀移走，以允許收集電荷。
[0017]在一些實施方式中，微結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成限定至少三個臂，這三個臂從公共界面/點(diǎn)分別沿著至少三個不同相交軸延伸。這至少三個臂可被分別構(gòu)造為如以上提到的至少三個功能上不同的區(qū)域。另選地，該構(gòu)造可以使得這些臂中的兩個分別被構(gòu)造且可操作為不同的電荷選擇性傳輸區(qū)域，而這些區(qū)域的延伸一起形成用作吸收區(qū)域的第三臂。
[0018]總體上，可使用本文中描述的技術(shù)和元件進(jìn)行任何期望的(非傳導(dǎo)的)表面到太陽能收集表面的簡單且容易的轉(zhuǎn)換。該轉(zhuǎn)換處理與將用于電荷收集的關(guān)聯(lián)電極布置安放在期望表面上并且用包含液體混合物的微結(jié)構(gòu)涂刷覆蓋有電極的表面一樣簡單。該混合物會需要硬化(例如，固化)，以及還會需要按照結(jié)構(gòu)的實際材料成分和構(gòu)造來對準(zhǔn)微結(jié)構(gòu)以優(yōu)化性能。
[0019]因此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于光轉(zhuǎn)換的微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)具有各向異性三維構(gòu)造，所述三維構(gòu)造包括:
[0020]至少一個吸收區(qū)域，被構(gòu)造成吸收預(yù)定波長范圍的輸入光并且作為響應(yīng)來生成自由電荷載流子；
[0021]至少一對選擇性電荷傳輸區(qū)域，其包括被構(gòu)造成允許傳輸自由電子的至少一個區(qū)域和被構(gòu)造成允許傳輸空穴的至少一個區(qū)域，所述一對選擇性電荷傳輸區(qū)域可借助通過所述至少一個吸收區(qū)域形成的界面連接在其間；
[0022]所述微結(jié)構(gòu)因此被構(gòu)造成將所述至少一個吸收區(qū)域吸收的所述預(yù)定波長范圍的輸入光通過所述選擇電荷傳輸區(qū)域轉(zhuǎn)換成電子和空穴的電荷流。
[0023]所述各向異性三維構(gòu)造可諸如限定至少三個臂，所述至少三個臂分別對應(yīng)于所述至少一個吸收區(qū)域和所述至少一對選擇性電荷傳輸區(qū)域。
[0024]所述選擇性電荷傳輸區(qū)域可以是分別具有η和P型摻雜以向電荷載流子提供選擇性傳導(dǎo)的相同半導(dǎo)體材料成分的區(qū)域。另選地，所述選擇性電荷傳輸區(qū)域可由第一半導(dǎo)體材料成分和第二半導(dǎo)體材料成分(例如，ZnO和CuO)形成。在這種情況下，該構(gòu)造使得光的吸收出現(xiàn)在這些材料中的至少一個的區(qū)域處或者其間的界面中，并且這些材料之間的界面(異質(zhì)結(jié))引起第一半導(dǎo)體材料成分第二半導(dǎo)體材料成分之間的電荷分離。另外，選擇性電荷傳輸區(qū)域分別由合適的(例如，空穴/電子選擇性傳導(dǎo))半導(dǎo)體材料成分構(gòu)成。例如，吸收和分離區(qū)域可以是第一半導(dǎo)體材料和第二半導(dǎo)體材料的芯-殼結(jié)構(gòu)，而第一半導(dǎo)體材料和第二半導(dǎo)體材料沿著第一相交軸和第二相交軸從所述芯-殼結(jié)構(gòu)的延伸限定選擇性電荷傳輸區(qū)域。
[0025]微結(jié)構(gòu)還可包括取向機(jī)構(gòu)，取向機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成響應(yīng)于施加的外部場來變化微結(jié)構(gòu)的取向。這可以是例如磁性元件，磁性元件響應(yīng)于施加的磁場施加致使微結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力。這樣使得能夠按照磁場的方向?qū)⑽⒔Y(jié)構(gòu)取向。
[0026]如以上指示的，微結(jié)構(gòu)還可包括傳導(dǎo)選擇性化合物，傳導(dǎo)選擇性化合物被構(gòu)造成分別傳輸負(fù)電荷載流子和正電荷載流子(例如，電子和空穴)，并且與選擇電荷傳輸區(qū)域相互作用，從而允許從微結(jié)構(gòu)收集電荷。傳導(dǎo)選擇性化合物可包括諸如聚(3，4_亞乙二氧基噻吩)(PEDOT)和聚-(苯并咪唑苯并鄰二氮雜菲)(BBL)聚合物的聚合化合物，以及可包括用于空穴傳導(dǎo)的聚合和溶膠-凝膠化合物(例如，聚(3，4_亞乙二氧基噻吩)(PED0T))和用于電子傳導(dǎo)的ZnO溶膠-凝膠。另選或另外地，微結(jié)構(gòu)可包括多孔材料(例如，金屬)或?qū)щ姎饽z?？椎谋砻婵杀煌扛部昭ɑ螂娮舆x擇性導(dǎo)體。而孔被填充相反的載流子傳輸材料(例如，離子液體(IL)、空穴傳輸材料(HTM)或?qū)щ娔z(CG))。因此，總體上，本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)由一起形成互相貫通的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的兩種或更多種材料構(gòu)成，其中，所述兩種或更多種材料均是導(dǎo)電的;然而，這些材料相對于電荷載流子彼此電隔離。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種液體物質(zhì)，所述液體物質(zhì)包括如上所述構(gòu)造的其中浸沒多個微結(jié)構(gòu)的溶液，所述液體物質(zhì)被構(gòu)造成使得能夠?qū)⑵涫┩康奖砻嫔?，從而將微結(jié)構(gòu)分散在表面上。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種液體物質(zhì)，所述液體物質(zhì)包括浸沒在其中多個微結(jié)構(gòu)并且被構(gòu)造成施涂到表面上以將微結(jié)構(gòu)分散在表面上，其中:
[0029]所述多個微結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為各向異性微結(jié)構(gòu)，各向異性微結(jié)構(gòu)適于吸收預(yù)定波長范圍的輸入光并且作為響應(yīng)來生成自由電荷載流子的電子-空穴對;以及
[0030]至少第一類型的化合物和第二類型的化合物，其被構(gòu)造成附連到各向異性微結(jié)構(gòu)的選擇性區(qū)域，并且允許分別傳導(dǎo)來自微結(jié)構(gòu)的電子和空穴。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種電極布置，該電極布置包括至少兩組導(dǎo)線，所述至少兩組導(dǎo)線包括被構(gòu)造成分別從其周圍的介質(zhì)傳輸兩種不同類型的電荷載流子的不同線，其中，所述至少兩組導(dǎo)線布置成網(wǎng)格形式，使得所述不同線彼此疊加從而限定電荷收集區(qū)域，并且在所述電荷收集區(qū)域中彼此絕緣。
[0032]例如，所述兩組中的不同線被分別涂覆選擇性電荷載流子阻擋層。
[0033]所述兩組中的線可在收集區(qū)域內(nèi)交織在一起。
[0034]所述電極布置通常被構(gòu)造成限定多個所述收集區(qū)域，使得在所述收集區(qū)域中的每個內(nèi)，所述至少兩組導(dǎo)線彼此絕緣，并且所述至少兩組導(dǎo)線并聯(lián)連接或者串聯(lián)連接在所述收集區(qū)域之間，從而提供電荷收集的累積電壓。
[0035]所述導(dǎo)線可被構(gòu)造為在其外側(cè)傳導(dǎo)殼和內(nèi)側(cè)傳導(dǎo)軸段之間具有預(yù)定電容的同軸線。
[0036]根據(jù)一些實施方式，電極布置可被構(gòu)造成，使得所述至少兩組線中的至少一組包括電荷選擇性涂層并且其中從所述電荷選擇性涂層生長多個微結(jié)構(gòu)。所述多個微結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成吸收預(yù)定波長范圍的光并且致使電荷分離，從而通過所述至少兩組線中的所述至少一組收集電荷載流子。通常，電荷載流子可直接、即通過微結(jié)構(gòu)的對應(yīng)端部與線的接觸或者通過涂料材料的導(dǎo)電元素，傳輸?shù)綄?yīng)的線。例如，所述至少兩組線中的至少一組可被涂覆ZnO或氧化鈦(二氧化鈦)或涂覆有氧化鈦的ZnO，所述微結(jié)構(gòu)包括附連到所述涂層的由ZnO(或氧化鈦)形成的區(qū)域。而微結(jié)構(gòu)的另一端可涂覆CuO，以提供用于吸收和電荷分離的異質(zhì)結(jié)。在這種構(gòu)造中，可使用用于第二線的PEDOT涂層允許向其傳導(dǎo)空穴(正電荷載流子)。
[0037]總體上，根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述至少兩組線中的至少一組被涂覆選擇性電荷載流子阻擋材料，所述選擇性電荷載流子阻擋材料包括從IV、II1-V、I1-VI族的一元、二元或三元η型半導(dǎo)體、PED0T、PD1、PCBM、Zn0、Ti02和η摻雜氧化錫中選擇的至少一種材料。所述至少兩組線中的至少另一組可被涂覆選擇性電荷載流子阻擋材料，所述選擇性電荷載流子阻擋材料包括從1￥、111-￥、11-￥1族的一元、二元或三元？型半導(dǎo)體、881^、？001\BBB、CBP、N1、TPD、聚TPD、螺旋-OMETAD中選擇的至少一種材料。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于制備光伏表面的套件，該套件包括:
[0039]涂料材料，其能施涂在電絕緣表面上，所述涂料材料包括具有浸沒的多個各向異性微結(jié)構(gòu)的液體物質(zhì)和電荷選擇性化合物，所述各向異性微結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成吸收預(yù)定波長范圍的輸入光并且作為響應(yīng)來生成自由電荷載流子的電子-空穴對，所述電荷選擇性化合物被構(gòu)造成附連到所述各向異性微結(jié)構(gòu)的選擇性區(qū)域，并且允許分別傳導(dǎo)來自所述微結(jié)構(gòu)的電子和空穴，所述涂料材料施涂于所述表面并且其硬化導(dǎo)致所述微結(jié)構(gòu)分散在所述表面內(nèi)并且附連到所述表面；以及電極布置，其被構(gòu)造成放置在所述表面上，所述電極布置包括至少兩組導(dǎo)線，所述至少兩組導(dǎo)線包括不同線，所述不同線被構(gòu)造成從其周圍介質(zhì)分別傳輸兩種不同類型的電荷載流子，使得當(dāng)向上面放置了電極布置的表面施涂涂料材料時，所述電極布置限定電荷收集區(qū)域的陣列，所述陣列用于收集響應(yīng)于所述微結(jié)構(gòu)吸收的輸入光而生成的電荷。
[0040]該套件還可包括預(yù)定場的源(例如，磁場源)以影響各向異性微結(jié)構(gòu)的取向；以及可包括合適的涂料硬化單元(例如，固化單元)。
【附圖說明】
[0041]為了更好地理解本文中公開的主題并且例示實際上可如何執(zhí)行主題，現(xiàn)在將參照附圖僅僅以非限制示例的方式來描述實施方式，其中:
[0042]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的提供光伏能量采集的期望表面的轉(zhuǎn)換；
[0043]圖2A至圖2C示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的光伏微結(jié)構(gòu)的示意性構(gòu)造，這些結(jié)構(gòu)具有2區(qū)域構(gòu)造(圖2A)、各向異性3區(qū)域構(gòu)造(圖2B)和允許在這些微結(jié)構(gòu)中電荷分離的能帶結(jié)構(gòu)(圖2C);
[0044]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的微結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，具有吸收區(qū)域的芯-殼圓柱形構(gòu)造；
[0045]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的微結(jié)構(gòu)，包括(通過配體)附連到微結(jié)構(gòu)表面區(qū)域的電荷選擇性化合物；
[0046]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的被構(gòu)造用于從被轉(zhuǎn)換表面的電荷收集的電極布置；
[0047]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的從電荷選擇性涂覆線生長的微結(jié)構(gòu)；以及
[0048]圖7A至圖7B示出用于例示理論量子效率和填充因子的計算的、本發(fā)明的基于微結(jié)構(gòu)的太陽能電池的模擬電流密度隨電壓的變化而變化[J/V]的示圖。
【具體實施方式】
[0049]因此，在本發(fā)明的一些方面，本發(fā)明提供了適于用于光伏能量轉(zhuǎn)換的微結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)，包含這些微結(jié)構(gòu)的液相物質(zhì)可被施涂于期望表面，被暴露于輸入的電磁輻射，以將這個表面轉(zhuǎn)換成能夠?qū)⑤斎腚姶泡椛滢D(zhuǎn)換成電能的光伏表面。
[0050]參照圖1，圖1示出用本發(fā)明的液體物質(zhì)在暴露于太陽輻射的表面1000的區(qū)域500內(nèi)對表面1000進(jìn)行涂刷，從而允許被涂刷的表面區(qū)域500將入射到其上的輸入輻射轉(zhuǎn)換成電能。以下，將進(jìn)一步更詳細(xì)地描述微結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和材料成分以及提供涂料材料的液體混合物和電荷收集技術(shù)。
[0051]參照圖2A和圖2C，圖2A和圖2C示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的微結(jié)構(gòu)顆粒1的兩個示例的構(gòu)造。圖2A示出各向異性棒狀微結(jié)構(gòu)1;圖2B示出各向異性復(fù)合微結(jié)構(gòu)10并且圖2C示出微結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)。如所示出的，在這個示例中，圖2A的微結(jié)構(gòu)10被構(gòu)造為棒狀微結(jié)構(gòu)，由不同電子性質(zhì)(通常，兩種不同的材料或不同摻雜的材料)區(qū)域14和16的至少兩個區(qū)域構(gòu)成。第一區(qū)域14和第二區(qū)域16之間的界面12提供響應(yīng)于吸收了(合適波長范圍的)光致使電荷分離的接合面。針對區(qū)域14和16的材料選擇使得由于光吸收而生成的自由電子將向著電子傳導(dǎo)區(qū)域14移動。此時自由空穴將向著空穴傳導(dǎo)區(qū)域16移動。應(yīng)該注意，微結(jié)構(gòu)可由第一材料(例如，電子傳導(dǎo)材料)的棒狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在其截面上具有第二材料的合適涂層。通常，形成第一區(qū)域14和/或第二區(qū)域16或其間的接合面/界面12的材料中的至少一種具有用于在至少一個預(yù)定波長范圍中提供有效光吸收的合適電子結(jié)構(gòu)。此波長范圍可例如包括可見光。
[0052]圖2B示出具有多個(三個或更多個)臂構(gòu)造的微結(jié)構(gòu)10的額外構(gòu)造。如所示出的，微結(jié)構(gòu)10被形成為各向異性顆粒，包含可以是或不是異質(zhì)結(jié)的至少一個光吸收區(qū)域(臂)
12、以及包括至少一個電子傳導(dǎo)區(qū)域和至少一個空穴傳導(dǎo)區(qū)域的至少兩個電荷選擇性區(qū)域(臂)14和16，至少一個電子傳導(dǎo)區(qū)域和至少一個空穴傳導(dǎo)區(qū)域被構(gòu)造成允許分別傳導(dǎo)電子和空穴，使其遠(yuǎn)離吸收區(qū)12。
[0053]在一些構(gòu)造中，微結(jié)構(gòu)10還包括作為取向區(qū)域(用虛線示出)的至少一個額外區(qū)域
18。取向區(qū)域(臂)18包括被構(gòu)造成響應(yīng)于外部場影響微結(jié)構(gòu)的取向的取向元件/機(jī)構(gòu)。例如，區(qū)域18可包括磁性元件/材料，從而允許通過酌情施加場(在這個示例中，磁場)來控制微結(jié)構(gòu)的取向。
[0054]微結(jié)構(gòu)10可大體是各向異性棒狀結(jié)構(gòu)或具有三維結(jié)構(gòu)的各向異性結(jié)構(gòu)，配置有適于提供電荷分離的例如圖2A和圖2B中示出的預(yù)定的幾何形狀和/或材料成分。更具體地講，在吸收區(qū)域12中吸收了光時，在吸收區(qū)域附近生成電子-空穴對。選擇微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和/或材料成分，諸如將生成的自由電子沿著電子傳導(dǎo)區(qū)域14引導(dǎo)并且將空穴沿著空穴傳導(dǎo)區(qū)域16引導(dǎo)。微結(jié)構(gòu)的大小可大體是大約微米級或更小，例如，三維結(jié)構(gòu)可擬合到直徑是大約10—7-10—6米的球體(或大約100-5000nm的棒)。但應(yīng)該注意，優(yōu)選地，按照如圖2A的示例中的吸收區(qū)域12或由合適吸收材料構(gòu)成的區(qū)域的吸收系數(shù)，確定微結(jié)構(gòu)的大小。吸收系數(shù)是材料成分用途的參數(shù)并且還與吸收區(qū)域的結(jié)構(gòu)有關(guān)。另外，還可使用諸如所使用材料內(nèi)的激子半徑和為了高效電荷收集而需要的電荷分離的參數(shù)來確定微結(jié)構(gòu)的大小和結(jié)構(gòu)，以提供高效的光轉(zhuǎn)換。
[0055]在一些示例中，微結(jié)構(gòu)具有長度為10nm至5μηι(優(yōu)選地，長度為200nm至2μηι)的吸收和電荷迀移區(qū)域。每個這種臂可以具有10_500nm的半徑，而不同的臂可具有不同的半徑，例如，吸收區(qū)域可更寬(具有更大的直徑)，因為它可以是具有適宜電子傳輸性質(zhì)的圍繞芯的光吸收殼的形式。不同的臂可附連在一起并且相對于彼此按70°至130° (優(yōu)選地，90°至115°)的角度關(guān)系取向。根據(jù)一些實施方式，微結(jié)構(gòu)具有三維四面體形狀，使臂之間的角度是大約109°。
[0056]關(guān)于這一點(diǎn)，圖2C示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的微結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)的示例。在這個示例中，微結(jié)構(gòu)包括對于正電荷載流子(空穴)和負(fù)電荷載流子(電子)的傳導(dǎo)親和性不同的至少兩個區(qū)域和在至少兩個電荷迀移區(qū)域之間形成界面的吸收區(qū)域。光子20在吸收區(qū)域處被吸收，激勵電子從對應(yīng)的價帶VB16到達(dá)導(dǎo)帶CB16，從而生成電子-空穴對。被激勵的電子通過導(dǎo)帶態(tài)在電子傳導(dǎo)區(qū)域CB14中傳輸，隨后可被例如通過配體24連接/附連到電子傳導(dǎo)化合物的電子傳導(dǎo)基質(zhì)材料(化合物)收集。類似地，生成的空穴沿著空穴傳導(dǎo)區(qū)域VB16的價帶傳播，例如通過配體26被與區(qū)域VB 16相互作用的空穴傳導(dǎo)化合物收集。
[0057]微結(jié)構(gòu)可被構(gòu)造為具有兩個區(qū)域的棒，兩個區(qū)域具有不同電子傳輸性質(zhì)，S卩，一個區(qū)域相對于第二區(qū)域(具有優(yōu)先進(jìn)行空穴傳導(dǎo)的電子性質(zhì))具有優(yōu)先進(jìn)行電子傳輸?shù)哪軒ЫY(jié)構(gòu)。另選地，例如，微結(jié)構(gòu)可由三個或更多個連接臂(或在包括取向區(qū)域的情況下，四個或更多個臂)構(gòu)造。
[0058]在圖3中更詳細(xì)例示了這種四面體狀幾何結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和工作原理，圖3示出微結(jié)構(gòu)10具有連接于連接區(qū)(點(diǎn))的四個臂。電子傳導(dǎo)臂14和空穴傳導(dǎo)臂16附連于連接點(diǎn)并且延伸到吸收臂/區(qū)域12中。如以上指示的，吸收區(qū)域12表現(xiàn)出電子傳導(dǎo)區(qū)域14和空穴傳導(dǎo)區(qū)域16之間的界面，從而提供能夠由于吸收而支持電荷分離的光吸收區(qū)域。例如，如圖中所示，微結(jié)構(gòu)包括具有圓柱狀幾何形狀的吸收臂12，其中，內(nèi)圓柱體配置有第一電傳輸性質(zhì)，并且被具有第二電子傳輸性質(zhì)的外圓柱體包圍。因此，在這個示例中，吸收區(qū)域12由兩個子區(qū)域構(gòu)成，這兩個子區(qū)域配置有具有電子傳輸性質(zhì)的材料成分和具有空穴傳輸性質(zhì)的材料成分構(gòu)成。這些子區(qū)域分別沿著臂14和16延伸到臂12外部，從而形成與吸收區(qū)域12通過界面接合的電子和空穴傳輸功能區(qū)域。吸收區(qū)域的此內(nèi)-外構(gòu)造提供進(jìn)行電荷分離的最小距離，而與生成電子-空穴對的實際位置無關(guān)。然而，應(yīng)該注意，可使用微結(jié)構(gòu)10的額外界面構(gòu)造以及半涂覆棒和其他三維構(gòu)造。
[0059]吸收區(qū)域和電子傳導(dǎo)區(qū)域和空穴傳導(dǎo)區(qū)域可由具有不同摻雜(諸如，η和P型摻雜)的類似材料成分(例如，半導(dǎo)體材料)制成。另選地，不同區(qū)域可由提供異質(zhì)結(jié)區(qū)域的兩種(或更多種)不同材料成分制成。更具體地，微結(jié)構(gòu)可以是在對應(yīng)區(qū)域中具有η和P型摻雜、或者由能帶結(jié)構(gòu)和/或?qū)?yīng)電傳輸性質(zhì)不同的兩種不同半導(dǎo)體材料以及有機(jī)、聚合、或小分子型半導(dǎo)體材料構(gòu)造的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(例如，硅)。然而，應(yīng)該注意，對于至少一個波長范圍選擇空穴傳導(dǎo)材料成分和電子傳導(dǎo)材料成分中的至少一個或其間形成的接合區(qū)域以進(jìn)行光吸收。
[0060]例如，微結(jié)構(gòu)可由作為空穴傳導(dǎo)材料成分的銅氧化物的一種或更多種變形形式(AzCuxOy總體上在本文中稱為CuO)和作為電子傳導(dǎo)材料成分的鋅氧化物的一種或更多種變形形式(BzZnxOy總體上在本文中稱為ZnO)形成。在這種構(gòu)造中，吸收區(qū)域優(yōu)選地被構(gòu)造成異質(zhì)結(jié)，使得CuO殼相對于ZnO內(nèi)(芯)區(qū)域在外部，以在界面區(qū)域中提供增強(qiáng)的吸收性質(zhì)。具體地，根據(jù)一些構(gòu)造，ZnO的內(nèi)圓柱體(芯)可形成有10-20nm的直徑，而外部CuO區(qū)域提供包圍內(nèi)ZnO區(qū)域的5-15nm的殼。另外，電子傳導(dǎo)區(qū)域和空穴傳導(dǎo)區(qū)域(圖中的14和16)可被形成為吸收區(qū)域的結(jié)構(gòu)的延伸。
[0061]應(yīng)該注意，通常，本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)可由按照其電子傳輸性質(zhì)而選擇的各種合適材料成分(具體地，半導(dǎo)體材料)形成。這些材料可包括但不限于Ti02、SiC、摻雜Mn/Mg的Ti02、摻雜Mn/Mg的Zn0、AlCu0 Cu20、和所有IV族、II1-V族和I1-VI族半導(dǎo)體二元、三元或更多元的化合物和合金、或芯-殼狀構(gòu)造、以及有機(jī)、聚合、或小分子型半導(dǎo)體材料。
[0062]異質(zhì)結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)的合成的通用程序是，從一種材料生長基體微結(jié)構(gòu)，之后在基體微結(jié)構(gòu)的特定部分頂部上選擇性生長第二材料，或者另選地，在基體微結(jié)構(gòu)的特定位置處進(jìn)行部分陽離子交換，二者都導(dǎo)致包含兩個(或更多個)不同區(qū)域的微結(jié)構(gòu)。根據(jù)一些實施方式，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以是圓柱狀芯殼構(gòu)造。微結(jié)構(gòu)的所有溶液合成的示例是在有機(jī)溶液中從Zn絡(luò)合物(前體)膠體生長ZnO(或摻雜的ZnO)四角錐，之后在水成/有機(jī)界面上的Langmuir Blodgett膜中進(jìn)行選擇性生長或選擇性陽離子交換，以在特定區(qū)域上形成CuO涂層。另外的合成方法可以是在玻璃/石英固體載體上通過高溫分解(空氣中加熱)從可溶Zn鹽外延生長ZnO點(diǎn)，之后通過CBD(化學(xué)浴沉積)從晶種表面生長ZnO棒，在此之后在CBD中或者另選地通過陽離子交換進(jìn)行CuO生長，以用CuO涂覆棒。最后，從固體載體移除異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米棒并且將其轉(zhuǎn)移到有機(jī)溶液以便生長另外ZnO臂從而創(chuàng)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)四角錐。
[0063]為了將期望表面轉(zhuǎn)換成能量采集表面，上述微結(jié)構(gòu)可優(yōu)選地以適于優(yōu)化吸收的取向沿期望表面散布。為此目的，如上所述，微結(jié)構(gòu)10可包括取向區(qū)域18，取向區(qū)域18包括至少一個取向元件/機(jī)構(gòu)180。取向元件被構(gòu)造成通過生成作用于微結(jié)構(gòu)10的旋轉(zhuǎn)力來響應(yīng)于(場矢量的預(yù)定方向的)預(yù)定外部場，從而致使其旋轉(zhuǎn)至按照外部場的選擇方向的取向。例如，取向元件180可以是磁性元件(例如，鐵磁金屬(例如，鈷、鐵)或諸如磁鐵(Fe3O4)的礦物質(zhì))，磁性元件能以磁場方向期望地布置，以允許微結(jié)構(gòu)總體的正確取向。在微結(jié)構(gòu)中設(shè)置取向元件允許在微結(jié)構(gòu)位于期望表面上的同時將微結(jié)構(gòu)取向(并且在將微結(jié)構(gòu)施涂到表面上之后至少短時間內(nèi)保持這個取向)，使得吸收區(qū)域12面向表面的外部，例如，吸收臂基本上垂直于表面地背離表面延伸，從而使微結(jié)構(gòu)進(jìn)行的光吸收最大化。
[0064]另外，微結(jié)構(gòu)可包括附連(例如，借助配體)或緊鄰微結(jié)構(gòu)的對應(yīng)表面區(qū)域的兩種或更多種傳導(dǎo)選擇性化合物(基質(zhì)材料)。通常，對于上述各向異性三維結(jié)構(gòu)，傳導(dǎo)選擇性基質(zhì)材料至少包括第一基質(zhì)材料和第二基質(zhì)材料，第一基質(zhì)材料和第二基質(zhì)材料被構(gòu)造用于分別傳輸負(fù)電荷載流子和正電荷載流子，從而允許從微結(jié)構(gòu)收集電荷。這在圖4中例示，圖4示出微結(jié)構(gòu)1，在微結(jié)構(gòu)1中，多個配體140和160附連到微結(jié)構(gòu)的各個區(qū)域并且從其延伸并且連接到對應(yīng)的傳導(dǎo)選擇性化合物(電子傳導(dǎo)基質(zhì)材料和空穴傳導(dǎo)基質(zhì)材料)。與配體140和160關(guān)聯(lián)的傳導(dǎo)選擇性化合物通?？梢允蔷酆衔锘蛉苣z-凝膠和其他材料中的至少兩種類型的一部分。
[0065]選擇這些材料，使得第一類型化合物140能夠選擇性傳輸電子并且第二類型化合物160允許選擇性傳輸空穴。這種選擇性傳輸提供了從微結(jié)構(gòu)10進(jìn)行合適的電荷收集。因此，(借助配體140)附連到微結(jié)構(gòu)10的電子傳導(dǎo)區(qū)域14的電子傳導(dǎo)基質(zhì)材料有助于從微結(jié)構(gòu)10收集電子，并且(例如，借助配體160)附連性微結(jié)構(gòu)10的空穴傳導(dǎo)區(qū)域16的空穴傳導(dǎo)基質(zhì)材料有助于從微結(jié)構(gòu)10收集空穴。應(yīng)該注意，附連的配體可用于為如圖2A中所示的棒狀微結(jié)構(gòu)或基本類似技術(shù)中的任何其他選定幾何形狀提供選擇性電荷傳輸。
[0066]第一傳導(dǎo)選擇性基質(zhì)材料和第二傳導(dǎo)選擇性基質(zhì)材料可例如包括聚-3,4-亞乙二氧基噻吩(PEDOT)和聚-苯并咪唑-苯并鄰二氮雜菲(BBL)分子聚合物。另外合適的基質(zhì)材料包括但不限于用于負(fù)電荷載流子(例如，電子)傳導(dǎo)的ro1、PCBM、ZnO(溶膠凝膠)、Ti02(溶膠凝膠)和用于正電荷載流子(例如，空穴)傳導(dǎo)的PD0T、BBB、CBPP(摻雜LiTfsi)、N1、TPD(摻雜LiTfsi)、聚TPD(摻雜LiTfsi)、螺旋OMETAD(摻雜LiTfsi)。應(yīng)該注意，第一傳導(dǎo)選擇性材料和第二傳導(dǎo)選擇性材料還可以是聚合化合物、其他溶膠-凝膠化合物、或者根據(jù)一些示例，具有涂覆有空穴或電子傳導(dǎo)選擇性材料的孔表面同時孔被填充相反載流子傳輸材料(例如，離子液體(IL)、空穴傳輸材料(HTM)或?qū)щ娔z(CG))的一種或更多種多孔材料(例如，金屬)或?qū)щ姎饽z。還應(yīng)該注意，通常，任何一組材料可形成互相貫通的傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中兩組材料是導(dǎo)電的，但彼此電隔離。
[0067]如以上指示的，第一傳導(dǎo)選擇性基質(zhì)材料和第二傳導(dǎo)選擇性基質(zhì)材料通常是按照它們的電子傳輸性質(zhì)來選擇的，以及是基于它們的附連到微結(jié)構(gòu)10的表面材料的親和性。為了具體地將基質(zhì)材料附連到微結(jié)構(gòu)的對應(yīng)區(qū)域，可使用微結(jié)構(gòu)材料和傳導(dǎo)選擇性化合物之間的不同親和性，或者另選地，但并非唯一地，通過在水成/有機(jī)界面中的LangmuirBlodgett膜中進(jìn)行配體交換處理，可具體地在特定區(qū)域中交換傳導(dǎo)選擇性化合物。
[0068]根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，可通過在基板上生長晶種棒并且提供預(yù)定生長操縱來制作微結(jié)構(gòu)。以下是根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的制作光吸收微結(jié)構(gòu)的技術(shù)的非限制示例。
[0069]惰性的且相對平滑的基板(例如，Si/Si02、玻璃、FT、IT0、鋁或任何其他合適的基板)被覆蓋N型半導(dǎo)體晶種層。半導(dǎo)體可以是通過在有或沒有摻雜劑的情況下用Zn溶膠-凝膠溶液浸涂表面并且對溶膠凝膠進(jìn)行干燥和退火而施涂在表面上的ZnO。利用來自水溶液的熱分解，從晶種層生長ZnO棒。當(dāng)棒具有期望長度(例如，100至500nm)時，基板和棒被退火。棒被涂覆緩沖絕緣層(例如，氧化硅或氧化鋁)以形成耗盡區(qū)?？赏ㄟ^在水溶液中或有機(jī)溶液中進(jìn)行化學(xué)浴沉積(CBD)或用任何其他合適的已知方法，將緩沖絕緣層帶涂覆在棒上。另外的涂覆技術(shù)包括離子(例如，陽離子)交換、連續(xù)離子層吸收和反應(yīng)(SILAR)、有或沒有氣溶膠輔助的化學(xué)氣相沉積(CVD)、濺射和/或原子層沉積(ALD)。在ALD的情況下，優(yōu)選地，將硅和/或鋁前體與作為反應(yīng)劑的水供給到ALD的氣體入口管，以在棒上形成絕緣體層的受控層。
[0070]在緩沖涂覆之后，棒被涂覆P型半導(dǎo)體(諸如，CuO)的薄層。這個涂覆可在水溶液和/或有機(jī)溶液中通過CBD進(jìn)行。半導(dǎo)體涂覆的替代方法包括陽離子交換、AA-CVD、濺射、SILAR和/SALD。如以上指示的，利用ALD涂覆技術(shù)總體上包括將CuO前體連同作為反應(yīng)劑的水一起供給到ALD的氣體入口管，以在棒上形成CuO的受控層。這個半導(dǎo)體涂覆提供具有界面區(qū)域和不同電子性質(zhì)的兩個或更多個區(qū)域的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在涂覆之后，從晶種基板的表面去除掉異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這可通過機(jī)械剝離、基板的化學(xué)蝕刻、聲波降解法或任何其他合適方法來執(zhí)行。然后可將異質(zhì)結(jié)構(gòu)分散在溶液中，隨后通過附加的聲波降解法將其重新懸于溶液中。
[0071]如有需要，可進(jìn)一步生長異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體之一，例如，ZnO區(qū)域。這可使用ZnO的暴露的晶種層作為附加晶種來進(jìn)行，用于在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的棒的相反側(cè)進(jìn)一步生長。可使用附加的這些生長方法來生成上述的三維各向異性微結(jié)構(gòu)。
[0072]因為光吸收，可使用微結(jié)構(gòu)作為涂料狀液體混合物/物質(zhì)中的顏料。液體混合物包括浸沒在液體溶液中的如上所述的多個微結(jié)構(gòu)。液體溶液被構(gòu)造成允許在期望表面上進(jìn)行其簡單涂覆，同時在被暴露于空氣之后在適宜時間段內(nèi)進(jìn)行干燥。另外，液體混合物可包括至少第一傳導(dǎo)選擇性類型和第二傳導(dǎo)選擇性類型的多種化合物(例如，具有對應(yīng)配體)。傳導(dǎo)選擇性化合物能夠在液體溶液中時或者在其硬化時與微結(jié)構(gòu)的對應(yīng)區(qū)域電子地相互作用(例如，借助配體附連到對應(yīng)區(qū)域)。液體混合物可被構(gòu)造成在被暴露于空氣之后在合適時間段內(nèi)干燥，或者另選地，液體混合物可被構(gòu)造成，使得需要進(jìn)行適宜的加工/處理以適當(dāng)?shù)馗稍锘蚬袒＿@種加工/處理可包括加熱涂刷表面以進(jìn)行退火并且有助于干燥(例如，當(dāng)使用PEDOT時)和/或用超紫外照射來輻射表面以固化和固定混合物成分和/或使用溶膠凝膠技術(shù)(例如，用于ZnO電子傳導(dǎo))。
[0073]應(yīng)該注意，按照材料性質(zhì)(例如，將被施涂的期望表面的性質(zhì))，液體溶液可包括水溶液、和/或合適的有機(jī)溶劑和/或合適的油。另外，根據(jù)一些實施方式，液體混合物可包括被選擇用于防止微結(jié)構(gòu)的聚集的一種或更多種材料。
[0074]如以上指示的，總體上，可利用輸入電磁輻射將任何非導(dǎo)電表面轉(zhuǎn)換成能量采集表面，以生成電能。這種表面轉(zhuǎn)換總體上包括在其上施涂包含液體混合物的微結(jié)構(gòu)的層(連同用于讀出生成的電能的適宜電路一起)。根據(jù)一些實施方式，液體混合物可留在空氣中干燥幾分鐘，或者它可經(jīng)受利用例如UV輻射、電偏置或加熱進(jìn)行的適宜固化。
[0075]另外，根據(jù)一些實施方式，微結(jié)構(gòu)可構(gòu)造為通過施加具有期望方向和大小的外部場在層內(nèi)對準(zhǔn)。如上所述，外部場可以是通過合適磁場源(例如，永磁體或電磁體)產(chǎn)生的磁場。位于微結(jié)構(gòu)的取向區(qū)域中的取向元件通過對微結(jié)構(gòu)施加旋轉(zhuǎn)力來響應(yīng)于外部(磁)場，從而沿著通過場的方向確定的軸對準(zhǔn)/取向微結(jié)構(gòu)。如以上指示的，對于芯-殼圓柱狀吸收區(qū)域而言，優(yōu)選地對準(zhǔn)微結(jié)構(gòu)，使得包含微結(jié)構(gòu)的臂的吸收區(qū)域基本上相對于對應(yīng)表面垂直地延伸，以優(yōu)化輸入光的吸收。
[0076]參照圖5，圖5示出根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)的從涂刷的“光伏”表面500讀出或收集生成的電能的電路。該電路被構(gòu)造為電極布置30，電極布置30包括布置成覆蓋預(yù)定面積的區(qū)域的網(wǎng)形式的導(dǎo)線，在本示例中示出兩個這些區(qū)域42和44。電極布置30被構(gòu)造成沿著表面拉伸(鋪開)，并且大體由至少兩組導(dǎo)線32和34形成。對至少兩組導(dǎo)線進(jìn)行預(yù)處理，以選擇性地允許從周圍的介質(zhì)收集電荷載流子。這個預(yù)處理可包括用允許來自周圍的負(fù)電荷載流子(例如，電子)的傳輸而阻擋正電荷載流子(例如，空穴)的傳輸?shù)牟牧蟻硗扛驳谝唤M導(dǎo)線32。此涂覆可以是但不限于用線的表面上的η-ZnO薄層，還可使用另外的負(fù)電荷選擇材料。類似地處理第二組導(dǎo)線34，以例如但不限于通過氧化鎳(MO)的薄層允許傳輸空穴而阻擋電子傳輸，還可使用另外的正電荷選擇材料。不同組被布置成沿著表面的網(wǎng)形式，以在所有微結(jié)構(gòu)和最近的電極之間提供預(yù)定最大距離。例如，第一組線32和第二組線34可被構(gòu)造成相鄰線之間具有I微米至I毫米之間的距離的網(wǎng)形式，優(yōu)選地，對立組的相鄰線之間大約0.5毫米。由于電子阻擋層和空穴阻擋層中的每個通常構(gòu)成隔離層，因此至少兩組導(dǎo)線可大體在相交點(diǎn)36處彼此覆蓋。這樣允許沿著寬表面選擇性收集電荷載流子，同時防止由于短路而導(dǎo)致收集到的能量有損失。另外或另選地，可將諸如塑料或其他聚合物的隔離材料引入相交點(diǎn)，以確保防止例如由于組裝期間的摩擦可出現(xiàn)的短路。
[0077]如所指示的，電極布置30可被構(gòu)造成覆蓋多個收集區(qū)/區(qū)域42和44。在收集區(qū)中的每個內(nèi)，不同的導(dǎo)線32彼此絕緣，以在其間提供定電壓。雖然這在區(qū)38之間過渡處，但一個區(qū)(例如，區(qū)42)的負(fù)電荷收集導(dǎo)線電連接到相鄰區(qū)(例如，區(qū)44)的正電荷收集導(dǎo)線。因此，在收集區(qū)中的每個內(nèi)，不同組的導(dǎo)線彼此絕緣，同時在各區(qū)之間串聯(lián)連接。電極布置的這種構(gòu)造允許累積通過沿著表面的電荷收集而生成的電壓。
[0078]應(yīng)該注意，圖5中例示的電極布置的構(gòu)造提供了高度健壯的電收集設(shè)置。導(dǎo)線組之間的內(nèi)部連接允許能量收集，即使正被覆蓋的表面不是連續(xù)的，例如，即使在網(wǎng)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)穿孔。電極布置的這個特征允許在暴露于光子輻射的任何表面(包括建筑物墻壁，同時允許墻壁中有例如用于窗戶或用于懸掛的釘子的不連續(xù))上使用本發(fā)明的上述技術(shù)，而不限制電荷收集。
[0079]各區(qū)內(nèi)的選擇性電荷收集可大體通過用合適的負(fù)電荷阻擋(例如，電子阻擋)和正電荷阻擋(例如，空穴阻擋)的阻擋層涂覆不同導(dǎo)線來提供。所述阻擋層可以是例如諸如PEDOT、多吡咯(PPy)、聚(對亞苯基)(PPP)和聚(苯并咪唑苯并鄰二氮雜菲)(BBL)的聚合材料、諸如ZnO和N1的合適半導(dǎo)體或如上所述的任何其他電荷選擇材料。還可用任意上述微結(jié)構(gòu)材料涂覆線，作為晶體涂層或作為聚合物基質(zhì)中的多晶體的分散，還有其他技術(shù)。另夕卜，電路還可包括被構(gòu)造用于存儲所收集能量的至少一部分的各種電子元件(諸如，超電容器)。例如，電極布置的導(dǎo)線可包括其以同軸方式構(gòu)造從而在外側(cè)傳導(dǎo)殼和內(nèi)側(cè)傳導(dǎo)軸段之間提供預(yù)定電容的部分。例如，在較少電磁輻射落到表面上的時間間隔期間(經(jīng)過云等)，可存儲所收集的電能，供進(jìn)一步使用。
[0080]根據(jù)一些示例，可通過浸涂、濺射、ALD、噴涂、CBD或其他技術(shù)用正電荷(例如，空穴)阻擋或電子負(fù)電荷(例如，電子)阻擋涂層來涂覆線。例如，可通過將線浸在鋅酸鹽溶液中、以與鋅層交換鋁外層，然后在存在氧氣的情況下在爐子里將線退火、以創(chuàng)建阻擋空穴傳導(dǎo)的ZnO層，來提供具有合適的半導(dǎo)體涂層的鋁線的涂層。此ZnO涂層可具有5-5000nm的厚度(優(yōu)選地，50-1000nm的厚度)。應(yīng)該注意，此ZnO涂層可提供如上所述的基于ZnO微結(jié)構(gòu)的生長的另外前體。通常，可使用ZnO涂層作為粒子生長的晶種。這些粒子可經(jīng)受不同材料(例如，CuO)的進(jìn)一步生長，以提供如上所述的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)提供了已經(jīng)連接的微結(jié)構(gòu)，從而通過電極布置提供高度高效的電流收集。
[0081]類似地，可利用鎳涂層或N1涂層提供具有電子阻擋的鋁線的涂層。例如，可通過鍍鎳技術(shù)在鋁線上施涂鎳層，然后在存在氧氣的情況下將它退火，以形成優(yōu)選地厚度為5-20nm的MO電子阻擋層?？墒┩苛硗獾耐繉?，以提供增強(qiáng)的電子阻擋性質(zhì)。例如，涂覆有N1的線還可涂覆有厚度是500nm直至50微米(優(yōu)選地，I微米)的PEDOT層。另外的涂層為N1提供了摩擦保護(hù)。已經(jīng)保護(hù)這個層免于受其他損傷影響。通常，可將任何導(dǎo)電材料用于線，只要電子布置合適即可。它可甚至是涂覆有例如導(dǎo)電物質(zhì)的塑料線。
[0082]參照圖6，圖6示出由被選擇性傳導(dǎo)涂層44涂覆的金屬線42構(gòu)成的導(dǎo)線32的部分。在選擇性傳導(dǎo)涂層44上，生長根據(jù)本發(fā)明的多個微結(jié)構(gòu)10。就這點(diǎn)而言，內(nèi)部線42可以是鋁或任何其他合適的導(dǎo)電材料。該線被涂覆ZnO層44并且使用涂層作為如上所述生長微結(jié)構(gòu)1的晶種。在這個示例中，微結(jié)構(gòu)具有由ZnO形成的第一區(qū)域14和由CuO形成的第二區(qū)域16。還應(yīng)該注意，內(nèi)部線42本身可由鋅替代鋁來形成。這個變形形式簡化了涂覆工藝和用于線42的涂層44的鋅酸鹽的制作。應(yīng)該注意，這種材料選擇不限于使用Zn和ZnO。通常，線可由任何合適的導(dǎo)電材料形成并且被涂覆電荷選擇性傳導(dǎo)材料。此外，可通過其中金屬元素(或?qū)щ娦问?，例如，合適摻雜)具有電荷選擇性傳導(dǎo)變形形式(例如，氧化物或任何其他適宜化合物、或本征摻雜)的任何材料來構(gòu)成線32和34。通常，可將任何導(dǎo)電材料用于線，只要電子布置合適即可。另外，線32和34可由例如涂覆有導(dǎo)電物質(zhì)的塑料線形成。
[0083]應(yīng)該注意，導(dǎo)線總體上被構(gòu)造成使歐姆損失減至最小。因此，導(dǎo)線優(yōu)選地由高度導(dǎo)電材料(例如，鋁、鋅或銅線)制成，并且被構(gòu)造成寬得足以減小對于電流的電阻。還應(yīng)該注意，電極布置可通過其所述兩組線連接于合適的標(biāo)準(zhǔn)PV設(shè)備(諸如，MPPT、AC/DC轉(zhuǎn)換器、逆變器、電池等)。
[0084]參照圖7A至圖7B，圖7A至圖7B示出例示本發(fā)明的技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率的模擬電流密度隨電壓的變化而變化[J/V]的示圖。圖7A示出基于從ZnO/CuO結(jié)測得的暗電流的J-V(電流密度-電壓)模擬曲線和太陽能-電轉(zhuǎn)換效率(η)和0.58的填充因子(FF)。圖7B示出可提供增大的效率和填充因子(FF)的ZnO/CuO結(jié)的提高的結(jié)質(zhì)量的結(jié)果。
[0085]本發(fā)明還提供了用于光伏轉(zhuǎn)換的表面制備的套件。該套件總體上可包括:上述液體混合物，其包括浸沒在其中的微結(jié)構(gòu)；電路，其包括上述用于收集所生成電力的電極布置。該套件還可包括:涂料固化單元，其適于在涂料材料施涂到期望表面上之后對其執(zhí)行固化；以及取向場源，其被構(gòu)造成生成適于對準(zhǔn)如上所述的微結(jié)構(gòu)的期望外部場。
[0086]固化單元在被使用時可包括:UV光源，其用于向涂刷表面施加適宜參數(shù)的UV輻射；和/或電偏置;和/或熱源(例如，加熱線圈和風(fēng)扇)，其被構(gòu)造用于向涂刷表面提供熱能，從而加速其干燥處理。UV光源和/或加熱和/或固化試劑可例如用于將液體混合物中的適宜材料聚合化。
[0087]取向場源/發(fā)生器可如上所述是磁場源，被構(gòu)造成生成具有期望強(qiáng)度/分布和方向的磁場。利用微結(jié)構(gòu)與其相對于涂刷表面的期望取向的對準(zhǔn)的目的是，通過布置微結(jié)構(gòu)將光轉(zhuǎn)換增至最大，諸如將微結(jié)構(gòu)的吸收區(qū)域取向成從基本上垂直于它的表面延伸。應(yīng)該注意，優(yōu)選地，在固化液體混合物之前或者當(dāng)涂料材料被部分固化時，執(zhí)行微結(jié)構(gòu)的取向/對準(zhǔn)。
[0088]根據(jù)一些實施方式，可通過在設(shè)置電極并且將液體混合物施涂到表面上之后，利用電極布置傳輸適宜電流，部分或全部地執(zhí)行液體混合物/涂料材料的固化。電流可與電流的優(yōu)選收集方向反向，從而通過電極布置和涂料材料生成熱和電場。
[0089]因此，本發(fā)明提供了將能暴露于電磁輻射的任何非傳導(dǎo)表面轉(zhuǎn)換成電磁輻射采集表面的新型技術(shù)和所需元件。使用具有合適微結(jié)構(gòu)的涂料材料允許進(jìn)行簡單轉(zhuǎn)換處理并且向暴露于輻射的幾乎任何表面提供太陽能采集能力。本發(fā)明還提供了用于收集所生成電能的有效電路。
【主權(quán)項】
1.一種電極布置，該電極布置包括至少兩組導(dǎo)線，所述至少兩組導(dǎo)線包括具有被構(gòu)造成允許從其周圍的介質(zhì)分別傳輸兩種不同類型的電荷載流子的涂層的不同線，其中，所述至少兩組導(dǎo)線布置成網(wǎng)格形式，使得所述不同線關(guān)于彼此疊加從而限定電荷收集區(qū)域，并且在所述電荷收集區(qū)域中彼此絕緣。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極布置，其中，所述至少兩組導(dǎo)線中的線在所述收集區(qū)域內(nèi)交織在一起。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電極布置，所述電極布置被構(gòu)造用于限定多個收集區(qū)域，使得在每個收集區(qū)域內(nèi)，所述至少兩組導(dǎo)線彼此絕緣，并且所述至少兩組導(dǎo)線串聯(lián)連接在所述收集區(qū)域之間，從而提供電荷收集的累積電壓。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的電極布置，其中，所述至少兩組的所述不同線分別涂覆有選擇性電荷載流子阻擋層。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電極布置，其中，所述至少兩組線中的至少一組涂覆有選擇性電荷載流子阻擋材料，所述選擇性電荷載流子阻擋材料包括從IV、I1-V、I1-VI族的一元、二元或三元η型半導(dǎo)體、PED0T、PD1、PCBM、Zn0、Ti02n摻雜氧化錫中選擇的至少一種材料。6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電極布置，其中，所述至少兩組線中的至少一組涂覆有選擇性電荷載流子阻擋材料，所述選擇性電荷載流子阻擋材料包括從IV、II1-V、I1-VI族的一元、二元或三元口型半導(dǎo)體、881^、？001\888、08?(摻雜1^了€8丨)、附0、了?0(摻雜1^了€8丨)、聚丁?0(摻雜LiTf si)、螺旋OMETAD(摻雜LiTf si )p摻雜氧化錫中選擇的至少一種材料。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的電極布置，所述電極布置被構(gòu)造成限定多個收集區(qū)域，所述多個收集區(qū)域被布置成，使得在各相鄰收集區(qū)域之間，所述至少兩組導(dǎo)線針對選擇性電荷收集是交替的。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的電極布置，其中，所述導(dǎo)線被構(gòu)造為在其外側(cè)傳導(dǎo)殼和內(nèi)側(cè)傳導(dǎo)軸段之間具有預(yù)定電容的同軸導(dǎo)線，所述同軸導(dǎo)線被構(gòu)造用于存儲多余電能，供進(jìn)一步使用。9.根據(jù)之前權(quán)利要求中的任一項所述的電極布置，其中，所述至少兩組線中的至少一組包括電荷選擇性涂層，并且其中，從所述電荷選擇性涂層生長多個微結(jié)構(gòu);所述多個微結(jié)構(gòu)被構(gòu)造用于預(yù)定波長范圍的光吸收并且致使電荷分離，從而允許通過所述至少兩組線中的所述至少一組收集電荷載流子。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極布置，其中，所述至少兩組線中的所述至少一組涂覆有ZnO，所述微結(jié)構(gòu)包括附連到所述涂層的由ZnO形成的至少一個區(qū)域。11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極布置，其中，所述至少兩組線中的所述至少一組涂覆有氧化鈦，所述微結(jié)構(gòu)包括附連到所述涂層的由氧化鈦形成的至少一個區(qū)域。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電極布置，其中，所述至少一個區(qū)域由ZnO形成并且涂覆有氧化鈦。13.—種用于在光轉(zhuǎn)換中使用的微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)具有各向異性三維構(gòu)造，所述各向異性三維構(gòu)造包括: 至少一個吸收區(qū)域，其被構(gòu)造用于吸收預(yù)定波長范圍的輸入光并且作為響應(yīng)來生成自由電荷載流子； 至少一對選擇性電荷傳輸區(qū)域，其包括被構(gòu)造成允許傳輸自由電子的至少一個區(qū)域和被構(gòu)造成允許傳輸空穴的至少一個區(qū)域，所述對的選擇性電荷傳輸區(qū)域中的每個與所述吸收區(qū)域通過界面接合并且從所述吸收區(qū)域延伸； 所述微結(jié)構(gòu)因此被構(gòu)造成將所述至少一個吸收區(qū)域吸收的所述預(yù)定波長范圍的輸入光通過所述選擇性電荷傳輸區(qū)域轉(zhuǎn)換成電子和空穴的電荷流。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述各向異性三維構(gòu)造限定至少三個臂，所述至少三個臂分別對應(yīng)于所述至少一個吸收區(qū)域和所述至少一對選擇性電荷傳輸區(qū)域。15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)包括至少一種半導(dǎo)體材料成分。16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中的任一項所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述選擇性電荷傳輸區(qū)域是分別具有η型摻雜和P型摻雜以向電荷載流子提供選擇性傳導(dǎo)的半導(dǎo)體材料成分的區(qū)域。17.根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任一項所述的微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)包括至少第一半導(dǎo)體材料成分和第二半導(dǎo)體材料成分，所述第一半導(dǎo)體材料成分和所述第二半導(dǎo)體材料成分被構(gòu)造成，使得所述吸收區(qū)域是所述第一半導(dǎo)體材料成分和所述第二半導(dǎo)體材料成分之間的異質(zhì)結(jié)，并且所述選擇性電荷傳輸區(qū)域分別由所述第一半導(dǎo)體材料成分和所述第二半導(dǎo)體材料成分構(gòu)造。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述第一半導(dǎo)體材料成分包括ZnO。19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述第一半導(dǎo)體材料成分包括氧化鈦或涂覆有氧化鈦的ZnO。20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述第二半導(dǎo)體材料成分包括CuO。21.根據(jù)權(quán)利要求17至20中的任一項所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述吸收區(qū)域被構(gòu)造為所述第一半導(dǎo)體材料和所述第二半導(dǎo)體材料的芯-殼結(jié)構(gòu)。22.根據(jù)權(quán)利要求13至21中的任一項所述的微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)還包括含取向機(jī)構(gòu)的至少一個區(qū)域，所述取向機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成響應(yīng)于施加的外部場來變化所述微結(jié)構(gòu)的取向。23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述取向機(jī)構(gòu)包括磁性元件，所述磁性元件響應(yīng)于施加的磁場，施加致使所述微結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力，從而使得能夠按照所述磁場的方向來使所述微結(jié)構(gòu)進(jìn)行取向。24.根據(jù)權(quán)利要求13至23中的任一項所述的微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)包括至少一種傳導(dǎo)選擇性化合物，所述傳導(dǎo)選擇性化合物被構(gòu)造用于傳輸負(fù)電荷載流子并且與所述至少一對區(qū)域的選擇性電荷傳輸區(qū)域電連接，從而允許從所述微結(jié)構(gòu)收集負(fù)電荷載流子。25.根據(jù)權(quán)利要求13至24中的任一項所述的微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)包括至少一種傳導(dǎo)選擇性化合物，所述傳導(dǎo)選擇性化合物被構(gòu)造用于傳輸正電荷載流子并且與所述至少一對區(qū)域的選擇性電荷傳輸區(qū)域電連接，從而允許從所述微結(jié)構(gòu)收集正電荷載流子。26.根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述傳導(dǎo)選擇性化合物包括附連到所述微結(jié)構(gòu)的配體。27.根據(jù)權(quán)利要求24至26中的任一項所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述傳導(dǎo)選擇性化合物包括聚合化合物。28.根據(jù)權(quán)利要求24至27中的任一項所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述聚合化合物至少包括聚(3，4_亞乙二氧基噻吩)(PEDOT)和聚(苯并咪唑苯并鄰二氮雜菲)(BBL)聚合物。29.根據(jù)權(quán)利要求24至27中的任一項所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述傳導(dǎo)選擇性化合物包括聚合和溶膠-凝膠化合物。30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述聚合化合物至少包括用于空穴傳導(dǎo)的聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)(PEDOT)和用于電子傳導(dǎo)的ZnO溶膠-凝膠。31.—種液體物質(zhì)，該液體物質(zhì)包括其中浸沒有多個微結(jié)構(gòu)的溶液，所述微結(jié)構(gòu)根據(jù)權(quán)利要求13至30中的任一項構(gòu)造，所述液體物質(zhì)被構(gòu)造成使得能夠?qū)⑵涫┩吭诒砻嫔希瑥亩鴮⑺鑫⒔Y(jié)構(gòu)分散在所述表面上。32.一種液體物質(zhì)，該液體物質(zhì)包括浸沒其中的多個微結(jié)構(gòu)，并且被構(gòu)造用于施涂在表面上，以將所述微結(jié)構(gòu)分散在所述表面上，其中: 所述多個微結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為各向異性微結(jié)構(gòu)，所述各向異性微結(jié)構(gòu)適于吸收預(yù)定波長范圍的輸入光并且作為響應(yīng)來生成自由電荷載流子的電子-空穴對;并且 至少第一和第二類型的化合物，其被構(gòu)造成與所述各向異性微結(jié)構(gòu)的選擇性區(qū)域電連接，并且允許分別傳導(dǎo)來自所述微結(jié)構(gòu)的負(fù)電荷載流子和正電荷載流子。33.根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的液體物質(zhì)，所述液體物質(zhì)當(dāng)暴露于預(yù)定波長范圍的外部輻射時能固化，從而使得能夠?qū)⑺鑫⒔Y(jié)構(gòu)附連到被施涂所述液體物質(zhì)的所述表面。34.一種用于在制備光伏表面時使用的套件，該套件包括: 能施涂在電絕緣表面上的涂料材料，所述涂料材料包括具有浸沒的多個各向異性微結(jié)構(gòu)的液體物質(zhì)、以及電荷選擇性化合物，所述各向異性微結(jié)構(gòu)被構(gòu)造用于吸收預(yù)定波長范圍的輸入光并且作為響應(yīng)來生成自由電荷載流子的電子-空穴對，所述電荷選擇性化合物被構(gòu)造成附連到所述各向異性微結(jié)構(gòu)的選擇性區(qū)域，并且允許分別傳導(dǎo)來自所述微結(jié)構(gòu)的電子和空穴，所述涂料材料施涂于所述表面導(dǎo)致所述微結(jié)構(gòu)分散在所述表面內(nèi)并且在硬化所述涂料材料時附連到所述表面;以及 被構(gòu)造成放置在所述表面上的電極布置，所述電極布置包括至少兩組導(dǎo)線，所述至少兩組導(dǎo)線包括被涂覆以分別傳輸來自其周圍的介質(zhì)的兩種不同類型的電荷載流子的不同線， 使得當(dāng)將所述涂料材料施涂于上面放置有所述電極布置的所述表面時，所述電極布置限定用于收集響應(yīng)于所述微結(jié)構(gòu)吸收的輸入光而生成的電荷的電荷收集區(qū)域的陣列。35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的套件，其中，浸沒在所述涂料材料中的所述微結(jié)構(gòu)根據(jù)權(quán)利要求I至14中的任一項構(gòu)造。36.根據(jù)權(quán)利要求34或35所述的套件，所述套件還包括預(yù)定場的源，所述預(yù)定場的源被構(gòu)造并且可操作用于向具有所述涂料材料的所述表面施加所述場，從而影響所述各向異性微結(jié)構(gòu)的取向，以按期望取向?qū)⑺鼈儗?zhǔn)。37.根據(jù)權(quán)利要求34至36中的任一項所述的套件，所述套件還包括涂料硬化單元，所述涂料硬化單元被構(gòu)造并且可操作用于向上面具有所述涂料材料的所述表面施加熱。
【文檔編號】B05C9/12GK105900249SQ201480072396
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月8日
【發(fā)明人】E·邁蒙
【申請人】太陽涂料有限公司