CN101411000A - 包括纳米颗粒敏化的碳纳米管的光伏器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采用包括碳纳米管和光敏纳米颗粒的光活性纳米结构制造的光伏器件。

Description

包括纳米颗粒敏化的碳纳米管的光伏器件
技术领域
本发明涉及使用碳纳米管和包括不同尺寸和成分的纳米颗粒的光活性纳米颗粒来形成光伏器件。
背景技术
不断增加的石油价格已经提高了发展经济的可再生能源的重要性。全世界正在进行相当大的努力以发展经济的太阳能电池从而获得太阳能。目前的太阳能技术可以大致地分类为晶体硅和薄膜技术。超过90％的太阳能电池由硅-单晶硅、多晶硅或者非晶硅制成。
在历史上，晶体硅(c-Si)已经在大多数太阳能电池中用作吸收光的半导体，尽管它是相对较差的光吸收材料并且需要相当的厚度(几百微米)的材料。然而，它被证明是便利的，因为它给出具有良好效率(12-20％，理论极限的一半到三分之二)的稳定的太阳能电池并且使用从微电子工业的知识的基础发展的工艺技术。
在工业上使用两种类型的晶体硅。第一种是单晶硅，通过从高纯的单晶锭(boule)切割晶片(大约150mm的直径并且350微米厚)制造。第二种是多晶硅，通过将硅的浇铸块(cast block)首先切割成条形然后切割成晶片而制造。晶体硅电池制造的主要趋势是朝着多晶技术的方向。对于单晶和多晶硅，半导体p-n结通过将磷(n型掺杂剂)扩散到硼掺杂的(p型)Si晶片的顶表面中而形成。丝网印刷的接触被涂敷到电池的前部和后部，前部接触图形被特别设计从而允许最大量的光暴露到硅材料而电池中电(电阻的)损失最小。
硅太阳能电池非常昂贵。制造成熟但不能带来显著的成本减少。硅并不是用于太阳能电池的理想材料，因为它主要吸收太阳光谱的可见部分从而限制了转换效率。
第二代太阳能电池技术基于薄膜。两种主要的薄膜技术是非晶硅和CIGS。
非晶硅(a-Si)在二十世纪八十年代被认为是“仅有”的薄膜光伏(PV)材料。但是到那十年结束时以及在二十世纪九十年代初，由于其低效率和不稳定性，它被许多研究者所放弃。但是，非晶硅技术已经在发展对这些问题的非常复杂的解决方案上取得很好的进展：多节构造。现在，商业的多节a-Si模块能够在7％到9％的效率范围。United Solar System Corporation和Kanarka计划已经建造了25MW的制造设施，几个公司已经宣布在日本和德国建造制造工厂的计划。BP Solar和United Solar System Corporation计划在不久的将来建造10MW的设施。
a-Si技术的关键障碍是低效率(稳定时大约11％)、光诱导效率退化(这需要更复杂的电池设计例如多节)以及工艺成本(制造方法是基于真空的并且相当缓慢)。所有这些问题对制造经济的a-Si模块的潜力都是重要的。
由铜铟镓硒化物(CIGS)吸收材料制成的薄膜太阳能电池在实现10-12％的高转换效率上表现出希望。CIGS太阳能电池的最高纪录的高效率(19.2％NREL)是到目前为止与那些通过其他薄膜技术例如碲化镉(CdTe)或者非晶硅(a-Si)取得的效率相比最高的。
这些破记录的小面积器件已经使用耗费资金的并且非常昂贵的真空蒸发技术制造。在大面积的基板上制造均匀组分的CIGS膜非常有挑战性。这个限制也影响到工艺产率，通常工艺产率非常低。由于这些限制，蒸发技术的使用在薄膜太阳能电池和模块的大规模、低成本的商业制造上并不成功并且无法与现在的晶体硅太阳能模块相竞争。
为了克服使用昂贵真空设备的物理气相沉积技术的限制，几个公司已经开发了高生产量的真空工艺(例如：Daystar，Global Solar)和非真空工艺(例如：ISET，Nanosolar)用于制造CIGS太阳能电池。使用喷墨技术(inktechnology)，能够以相对较低的基础设备费用实现非常有效的材料使用。综合的效果是低成本的制造工艺用于薄膜太阳能器件。CIGS能够在柔性基板上制造使其能够减少太阳能电池的重量。CIGS太阳能电池的成本预期比晶体硅更低，使它们即使在较低的效率下也有竞争力。CIGS太阳能电池的两个主要问题是：(1)没有通向更高效率的清晰的途径和(2)高的工艺温度使其难以使用高速卷绕(roll to roll)工艺，因此它们不能实现显著地低成本的结构。
这些是当前可利用的技术存在的显著问题。现在具有大于90％市场份额的晶体硅太阳能电池非常昂贵。晶体硅太阳能电池的太阳能成本大约为25美分/千瓦时，与之相比的化石燃料为小于10美分/千瓦时。此外，安装太阳能面板的基本建设费用(capital cost)非常限制其使用率。晶体太阳能电池技术是成熟的，在不久的将来不太可能提高性能或者成本的竞争力。非晶硅薄膜技术能够实现大量生产的制造，这能导致低成本的太阳能电池。此外，非晶和微晶硅太阳能电池只在可见区域吸收。
下一代太阳能电池需要真正地实现高效率以及轻重量和低成本。两个潜在的候选者是(1)聚合物太阳能电池和(2)纳米颗粒太阳能电池。由于在中等温度(＜150℃)的高速卷绕工艺，聚合物太阳能电池具有低成本的潜力。但是，聚合物遭受两个主要的缺点：(1)由于缓慢的电荷传输的低效率和(2)差的稳定性-特别对紫外光(UV)。因此不太可能聚合物太阳能电池将能够实现成为下一代太阳能电池所需的性能。下一代太阳能电池的最有前途的技术是基于量子点的纳米颗粒。
几个研究小组已经开展关于量子点基的太阳能电池的实验性研究。大多数通常使用的量子点由化合物半导体例如II-VI、II-IV和III-V族制成。这些光敏量子点的一些示例是CdSe、CdTe、PbSe、PbS、ZnSe。
在本领域中所述的由光敏纳米颗粒制成的太阳能电池表现出非常低的效率(＜5％)。当暴露到太阳光时纳米颗粒在产生电子空穴电荷对上非常有效。这些低效率的主要原因是电荷复合。为了在太阳能电池中实现高效率，电荷必须在它们产生后就被尽快地分离。复合的电荷不产生任何光电流从而对太阳能电池的效率没有贡献。纳米颗粒中的电荷复合主要由于两个因素：(1)在纳米颗粒上表面态，其促进电荷复合，以及(2)缓慢的电荷传输。在后面的情形中，因为电荷缓慢地通过电子传输层和空穴传输层，所以电荷复合与电荷传输速率相比通常更快。
不同的方法已经在现有技术中报道用来解决纳米颗粒的这些问题。表面处理技术已经被尝试以去除表面态。(见Furis et al.，MRS Proceedings，volume 784，2004)这些技术在光致发光中表现出改善，但由于它们不能影响空穴传输层和电子传输层的电荷传输性质所以不能提高太阳能转换效率。
在本领域公知的，TiO2层能用于快速地传输电子。染料敏化太阳能电池使用TiO2就是这个原因。透明的TiO2纳米管已经在文献中报道(Mor et al.，Adv.Funct.Mater.，2005，15，1291-1296(2005))。这些TiO2纳米管已经用于制备染料敏化的太阳能电池。
单壁碳纳米管(SWCNT)已经在太阳能电池中用作光吸收材料。此外，纳米颗粒例如CdSe和CuInS已经共价连接到碳纳米管。见Landi et al.，Mater.Res.Symp.Proc.Vol.836，2005，Session L2.8 pages 1-6。
发明内容
光伏器件包括第一电极和第二电极，其中至少一个对太阳辐射是透明的。第一电极和第二电极之间的光活性层包括含有碳纳米管(CNT)和光敏纳米颗粒的光活性纳米结构。纳米颗粒与碳纳米管紧密地相连，在一些实施例中共价连接到CNT。光活性层通过电子与第一电极相导通，通过空穴与第二电极相导通。在一些实施例中，光活性层还包括导电聚合物。
在其他实施例中，光伏器件还包括在第一电极和光活性层之间的空穴导电层，该光活性层促进空穴转移到第一电极。在优选的实施例中，空穴导电层包括p型CNT。
在相同或其他实施例中，电子导电层处于第二电极和光活性层之间，该光活性层促进电子转移到第二电极。在优选的实施例中，电子导电层包括n型CNT。
优选地，碳纳米管为单壁碳纳米管(SWCNT)。优选地，SWCNT被功能化从而与光敏纳米颗粒在化学上反应，该光敏纳米颗粒已经被修饰以含有可与CNT/SWCNT反应的功能基团或者用于连接CNT/SWCNT光敏纳米颗粒的部分(moiety)。
光敏纳米颗粒可以是量子点、纳米棒、纳米两脚架、纳米三脚架、纳米多脚架或纳米线。优选的光敏纳米颗粒包括CdSe、ZnSe、PbSe、InP、PbS、ZnS、Si、Ge、SiGe、CdTe、CdHgTe或者II-VI、II-IV和III-V族材料。在一些实施例中，在光伏器件中使用了吸收来自太阳光谱的不同部分的辐射的第一纳米颗粒和第二纳米颗粒。第一纳米颗粒和第二纳米颗粒可以在成分、尺寸或者尺寸和成分的组合上不同并吸收太阳光谱的不同部分。第一纳米颗粒和第二纳米颗粒可以是包括相同或者不同的CNT的纳米颗粒。例如，两种不同的光敏纳米颗粒的每个能与同一个CNT相连接。可选地，第一纳米颗粒能与第一CNT相连而第二纳米颗粒与第二CNT相连。在两种情况下，单光活性层能用于制造此光活性纳米结构。
选择在光伏器件中使用的成分从而光活性纳米结构和电极之间存在适当的能带排列(band alignment)。当导电聚合物在光活性层中使用时，导电聚合物的最高已占分子轨道(HOMO)能级和最低未占分子轨道(LUMO)能级如此从而促进电荷从纳米结构转移到导电聚合物和从导电聚合物转移到电极。类似地，器件中使用的光活性层和任一电子或空穴导电层之间存在适当的能带排列以促进电荷提取和电荷转移。
在另一实施例中，使用了包括由碳纳米管和纳米颗粒制成的第二光活性纳米结构的第二光活性层，其纳米颗粒与第一光活性层的纳米颗粒相比吸收来自太阳光谱的不同部分的辐射。在第一光活性层和所述第二光活性层中的纳米颗粒可以在成分、尺寸或者是尺寸和成分的组合上不同。
在一些实施例中，空穴导电层是空穴导电聚合物，例如p型半导体聚合物。p型半导体聚合物的示例包括P3HT、P3OT、MEH-PPV或者PEDOT。在大多数的实施例中，PVK不用作空穴导电聚合物。在其他实施例中，空穴导电层是p型半导体。p型半导体的示例包括p掺杂的Si、p掺杂的Ge或者p掺杂的SiGe。在Si的情况下，p型半导体可以是p掺杂的非晶硅、p掺杂的微晶硅或者p掺杂的纳米晶硅。在一些情况下空穴导电层由两层或多层p型半导体制成。p型半导体层可以是p掺杂的硅层、p掺杂的锗层和/或p掺杂的SiGe层。
在优选的实施例中，空穴导电层含有CNT，优选地SWCNT。例如，SWCNT能与p型P3HT结合并用作空穴导电层。
在一些实施例中，电子导电层是电子导电材料例如八羟基喹啉铝(aluminum quinolate，AlQ3)和/或通过将Cl2、Br2或Cs掺入SWCNT制成的n型SWCNT。
附图说明
图1(现有技术)示出吸收和发射具有不同颜色的辐射的不同尺寸的纳米量子点。小点吸收光谱的蓝端而大尺寸的点吸收光谱的红端。
图2(现有技术)示出由ZnSe、CdSe和PbSe制成的分别吸收/发射UV、可见和红外(IR)的量子点。
图3(现有技术)示出由溶剂例如三正辛基氧化膦(tri-n-octyl phosphineoxide，TOPO)包裹的纳米颗粒。
图4示出用R基团功能化的纳米颗粒。R基团能够用Xa-Rn-Yb表示，其中X和Y是反应部分，例如羧酸(-COOH)基团、磷酸(-H2PO4)基团、磺酸(-HSO3)基团或胺，a和b是0或1其中a或b中一个为1，R是碳、硫、氮和/或氧并且n＝0-10或0-5。
图5示出包括功能基团R的功能化的碳纳米管510，功能基团R可以是-COOH、-NH2、-PO4、-HSO3、氨基乙烷硫醇(aminoethanethiol)等。
图6示出简单的太阳能电池的示意图，其中包括光敏纳米颗粒敏化的碳纳米管(CNT)的光敏纳米结构夹在透明导体和金属电极之间。
图7示出简单的太阳能电池的示意图，其中包括光敏纳米颗粒敏化的单壁碳纳米管(SWCNT)的光活性纳米结构分散在导电聚合物层中，该导电聚合物层夹在透明导体和金属电极之间。
图8示出具有一个SWCNT界面层840的光敏纳米颗粒敏化SWCNT的太阳能电池设计。
图9示出具有两个SWCNT界面层930和950的光敏纳米颗粒敏化SWCNT的太阳能电池设计。
图10示出具有两个SWCNT界面层1030和1050的太阳能电池设计，其中光活性纳米结构包括分散在聚合物矩阵1040中的光敏纳米颗粒敏化的SWCNT。
图11示出可选的太阳能电池设计，其中光敏纳米颗粒层1140夹在两个SWCNT界面层1130和1150之间。此层也可以包括由CNT和光敏纳米颗粒制成的光活性纳米结构。
图12示出另一个可选的太阳能电池设计，其中包括分散在聚合物矩阵中的光敏纳米颗粒的光敏层1240夹在两个SWCNT界面层1230和1250之间。此层也可以包括由CNT和光敏纳米颗粒制成的光活性纳米结构。
图13示出包括两个光活性层的光活性器件。层1330包括CdSe-SWCNT光活性纳米结构而层1340包括CdTe-SWCNT光活性纳米结构。
图14与图13相似，除了层1430和层1440的光活性纳米结构分散在聚合物中。
图15示出具有包括连接到SWCNT 1530的多种类型的光敏纳米颗粒1560、1570和1580的层的太阳能电池设计。
图16示出具有包括多个SWCNT 1630的层的太阳能电池设计，每个SWCNT连接到光敏纳米颗粒1660、1670或1680中的一种类型。
图17示出SWCNT 1660、1670或1680的太阳能电池设计，多种光活性层的每个包括光活性纳米结构，该光活性纳米结构包括连接到不同类型的光敏纳米颗粒的SWCNT。
图18示出太阳能电池设计，其光活性层包括连接到夹在两个SWCNT层中间的每个SWCNT的多种类型的光敏纳米颗粒。
具体实施方式
在此公开的光伏器件的实施例由两个电极和包括光活性纳米结构的光活性层制成。光活性纳米结构包括至少两个部分：(1)CNT和/或SWCNT和(2)光敏纳米颗粒。纳米颗粒通过自组装与CNT的表面相连接，并且覆盖至少10％的CNT的外表面，尽管较轻的颗粒密度，例如50％、70％或90％可以被使用。在优选的实施例中，纳米颗粒形成覆盖大部分CNT表面的单层。
在优选的实施例中，纳米颗粒共价连接到CNT。这可以通过修饰CNT和/或纳米颗粒以含有提供共价键合的反应位置的部分/多个部分来实现。在一些情况下(在下面讨论)，链接分子(linker molecule)被用于将纳米颗粒共价连接到CNT。
如这里所用，术语“纳米颗粒”或者“光敏纳米颗粒”指示当暴露到太阳辐射时产生电子空穴对的光敏材料。光敏纳米颗粒通常是纳米晶体，例如量子点、纳米棒、纳米双脚架(nanobipod)、纳米三角架(nanotripod)、纳米多脚架(nanomultipod)或者纳米线。
光敏纳米颗粒能够由包括II-VI、II-IV和III-V族材料的化合物半导体制成。光敏纳米颗粒的一些示例是CdSe、ZnSe、PbSe、InP、PbS、ZnS、CdTe、Si、Ge、SiGe、CdHgTe或者II-VI、II-IV和III-V族材料。光敏纳米颗粒可以是核型或者核-壳(core-shell)型。在核-壳型纳米颗粒中，核和壳由不同的材料制成。核和壳都能够由化合物半导体制成。
量子点是优选的纳米颗粒。如现有技术所公知，具有相同成分但具有不同直径的量子点吸收和发射不同波长的辐射。图1示出由相同成分制成但具有不同直径的三种量子点。小量子点吸收和发射光谱的蓝色部分；反之，中等的和大的点分别吸收和发射可见光谱中的绿色和红色部分。可选地，如图2所示，量子点可以是基本相同的尺寸但由不同材料制成。例如，UV吸收的量子点能够由硒化锌制成；然而，可见和IR量子点能够分别由硒化镉和硒化铅制成。具有不同尺寸和/或成分的纳米颗粒能够随机地或者在层中使用以制造宽带(broadband)的的太阳能电池，其在(1)UV和可见、(2)可见和IR或者(3)UV、可见和IR中吸收。
光活性纳米颗粒能够被修饰以含有链接(linker)Xa-Rn-Yb，其中X和Y能够是反应部分，例如羧酸基团、磷酸基团、磺酸基团或含胺基团等，a和b是0或1，其中a和b中至少一个为1，R是含有碳、氮，硫和/或氧的基团例如-CH2、-NH-，-S-和/或-O-，并且n为0-10。一个反应部分能够与纳米颗粒反应而另一个部分能够与CNT反应。链接也将纳米颗粒钝化并增加它们的稳定性、光吸收和光致发光。它们也能改善纳米颗粒在普通有机溶剂中的溶解度或悬浮。
功能化的纳米颗粒与CNT上合适的反应基团例如氢氧基或其他反应以通过分子自组装工艺沉积单层的致密且连续的纳米颗粒。通过调整Xa-Rn-Yb的成分，CNT的表面和纳米颗粒的表面之间的距离能够被调整以最小化促进电荷复合的表面态的作用。这些表面之间的距离典型地为10埃或更小，优选地5埃或更小。保持这个距离从而电子隧穿通过从纳米颗粒到高度导电的CNT的这个间隙。这个容易的电子传输帮助减少电荷复合并导致有效的电荷分离，这将导致高效率的太阳能转换。
如这里所用，“空穴导电层”是优先传导空穴的层。空穴导电层能够由(1)包括p掺杂的半导体材料的无机分子例如p型非晶或多晶的硅或锗，(2)有机分子例如金属-酞氰化合物(metal-thalocyanine)、芳基胺(arylamine)等，(3)导电聚合物例如聚乙撑二氧噻吩(polyethylenethioxythiophene，PEDOT)、P3HT、P3OT和MEH-PPV，以及(4)p型CNT或者p型SWCNT来组成。
如这里所用，“电子导电层”是优先传导电子的层。电子导电层可以由八羟基喹啉铝(AlQ3)和/或n型CNT或n型SWCNT制成。
在一些实施例中，太阳能电池是能够吸收不同波长的太阳辐射的宽带太阳能电池。光敏纳米颗粒当暴露到特定波长的光时产生电子-空穴对。光敏纳米颗粒的带隙能够通过改变纳米颗粒的颗粒尺寸或成分来调整。通过结合一定范围的纳米颗粒尺寸和一定范围的用于制作纳米颗粒的纳米材料，能够实现对部分或整个太阳光谱的宽带吸收。因此，在一个实施例中，具有不同尺寸和/或成分的光敏纳米颗粒的混合物能够在同一或者不同CNT上成层以制作例如图13到18描述的宽带太阳能器件。
示例1
图6是从属于本发明的光敏纳米颗粒敏化的碳纳米管太阳能电池器件的实施例的示意图。通过沉积包括光活性纳米结构的光活性层630在玻璃基板层610上，该光活性纳米结构包括光敏纳米颗粒敏化的碳纳米管，该玻璃基板层610涂有透明导电层620例如ITO，接着沉积阴极金属层640，能够制造此太阳能电池。器件(610到640)或者器件的子部分(如610、620和630)在200-400℃退火6-12小时。
光敏纳米颗粒可以由IV、II-IV、II-VI和III-V族材料制成。光敏纳米颗粒的一些示例包括Si、Ge、CdSe、PbSe、ZnSe、CdTe、CdS、PbS。纳米颗粒的尺寸可以改变(例如：2-10nm)以获得一定范围的带隙。这些纳米颗粒可以按照本领域公知的方法制备。纳米颗粒也可以按照本领域公知的方法功能化。功能基团可以包括羧基(-COOH)、胺基(-NH2)、膦酸基(-PO4)、磺酸基(-HSO3)、氨基乙烷硫醇等。碳纳米管可以按照本领域公知的方法制备见，例如Landi et al supra。它们也可以从Cheap Tubes Battleboro、VT或者Aldrich购买。优选地，碳纳米管是单壁碳纳米管。
碳纳米管可以按照本领域公知的方法功能化。见，例如Landi et al.，supra.和Cho et al.，Advanced Materials，19，232-236(2007)。功能化的碳纳米管可溶解在普通的有机溶剂中，例如氯仿。功能化的碳纳米管可以与溶解在合适溶剂中的具有相应的功能基团的功能化的光敏纳米颗粒反应以制备光敏纳米颗粒敏化的碳纳米管。纳米颗粒层的密度可以通过改变反应条件和改变功能基团来调整。理想地，希望碳纳米管被光敏纳米颗粒浓密地修饰。光敏纳米颗粒敏化的碳纳米管层可以通过旋涂或者其它公知的分子自组装技术沉积在涂有ITO的玻璃基板上。此层可以是单层或多个单层。根据本实施例制造的太阳能电池被期待具有高效率。在此器件中，当太阳光被纳米颗粒吸收后产生电子空穴对，并且得到的电子被碳纳米管快速地传输到阴极以被收集。这种将电子从纳米颗粒产生的电子空穴对中快速地去除，减少了在基于纳米颗粒的太阳能电池器件中通常观察到的电子空穴复合的可能性。
图7中示出另一实施例。光活性层730包括光活性纳米结构，该光活性纳米结构包括分散在导电聚合物例如PEDOT、P3HT等中的光敏纳米颗粒敏化的碳纳米管。在图7示出的实施例的另一个版本中，光活性纳米结构分散在有机半导体材料中例如并五苯(pentacene)。器件或器件的子部分在100-180℃退火约10分钟到6小时。选择低的退火温度以限制有机聚合物材料的退化。
示例3
图8和图9中示出使用光敏纳米颗粒敏化的单壁碳纳米管(SWCNT)的另一个实施例，其中纳米颗粒敏化的SWCNT层830或940夹在一个SWCNT层840(在图8中)或者两个SWCNT层930和950(在图9中)之间。光敏纳米颗粒敏化的SWCNT可以使用示例1中描述的方法制备。通过在涂有透明导体例如ITO 920的玻璃基板910上沉积SWCNT层930，然后光活性层940沉积在SWCNT层930上，接着沉积第二SWCNT层950和金属层960，能够制造在图9中示出的太阳能电池器件。用于层930和层950的SWCNT可以选择性地功能化以使其能溶解在合适的有机溶剂中并增强其与其它层的粘附性。SWCNT的沉积可以通过旋涂或者本领域公知的其它分子自组装方法进行。在本实施例中使用的SWCNT层被期待用于提高效率。SWCNT层930可以是p型，SWCNT层950可以是n型。此SWCNT层作为电子导电层(n型)或者空穴导电层(p型)。
在图10中示出的本实施例的一个版本中，光敏纳米颗粒敏化的碳纳米管可以分散在导电聚合物例如PEDOT、P3HT等中以形成光活性层1040。在图10中示出的所示本实施例的另一版本中，光敏纳米颗粒敏化的碳纳米管可以分散在有机半导体材料例如并五苯中以形成层1040。
示例4
在图11中示出的另一实施例中，光活性层1140夹在两个SWCNT层之间。图11中示出的太阳能电池器件可以通过在涂有透明导体例如ITO 1120的玻璃基板1110上沉积SWCNT层来制备。然后光活性纳米颗粒沉积在SWCNT层1130的顶部上以形成光活性层1140，接着沉积第二SWCNT层1150和金属层1160。器件或者器件的子部分在200-400℃退火6到12小时。这导致包括单独的光敏纳米颗粒或与光活性纳米结构结合在一起的光敏纳米颗粒的光活性层1140，该光活性纳米结构包括光敏纳米颗粒和分别来自层1150和1130的n型和/或p型SWCNT。在一些情况下，光活性层1140包括光活性纳米结构，该光活性纳米结构由光敏纳米颗粒和具有很少或没有自由纳米颗粒存在的p型和/或n型SWCNT制成。
用于层1130和1150的SWCNT可以选择性地功能化以使其能溶解在合适的有机溶剂中并增强其与其它层的粘附性。SWCNT和纳米颗粒的沉积可以使用旋涂或本领域公知的其它分子自组装方法进行。在本实施例中使用的SWCNT层被期待用于提高效率。SWCNT层1130可以由p型SWCNT制成。SWCNT层1150可以由n型SWCNT制成。
在图12中示出的本实施例的一个版本中，光活性层1240由分散在导电聚合物例如PEDOT、P3HT中的光敏纳米颗粒制成。在图12中示出的本实施例的另一版本中，光敏纳米颗粒可以分散在有机半导体材料例如并五苯中以形成层1240。器件或器件的子部分在100-180℃退火10分钟到6小时。这导致包括单独的光敏纳米颗粒或与光活性纳米结构结合在一起的光敏纳米颗粒的光活性层1240，该光活性纳米结构包括光敏纳米颗粒和分别来自层1250和1230的n型和/或p型SWCNT在一些情况下，光活性层1240包括光活性纳米结构，该光活性纳米结构由光敏纳米颗粒和具有很少或没有自由纳米颗粒存在的p型和/或n型SWCNT制成。
示例5
在图13中示出的另一实施例中使用两个光活性层1330和1340。图13中示出的太阳能电池器件可以通过在已经涂有透明导体如ITO 1320的玻璃基板1310上沉积第一光敏纳米颗粒敏化的SWCNT例如CdSe-SWCNT层1330来制成。第二光活性层1340通过在金属层1350之后沉积CdTe-SWCNT光活性纳米结构来形成。用于层1330的SWCNT可以是p型，用于层1340的SWCNT可以是n型SWCNT。
在图14中示出的本实施例的一个版本中，光活性纳米结构分散在导电聚合物例如PEDOT、P3HT等中以形成光活性层1430和1440。在图14中示出的本实施例的另一版本中，光活性纳米结构分散在有机半导体材料例如并五苯中以形成层1430和1440。
示例6
在图15中示出的另一实施例中，不同类型的和不同尺寸的光敏纳米颗粒1560可以连接到SWCNT以最大化光子获得效率。
光敏纳米颗粒可以由IV、II-VI、II-IV和III-V族材料制成。光敏纳米颗粒包括Si、Ge、CdSe、PbSe、ZnSe、CdTe、CdS、PbS。这些材料中的一种或多种可以用来制作纳米颗粒。光敏纳米颗粒的尺寸可以在2-10nm范围内改变以获得一定范围的带隙。功能化的纳米颗粒和功能化的SWCNT可以使用示例1中描述的方法制备。
例如，如图15所示，功能化的SWCNT可以与溶解在合适的溶剂中的适当的功能化光敏纳米颗粒混合物反应以制备包括具有多种不同的光敏纳米颗粒1560、1570和1580的SWCNT的光活性纳米结构。材料类型、颗粒的尺寸和密度可以通过改变反应混合物成分和反应条件来调整。理想地，期望碳纳米管被光敏纳米颗粒浓密地修饰以覆盖宽范围的带隙从而从整个太阳光谱获得光子。
在图15中示出的太阳能电池可以通过将连接有多个类型的光敏纳米颗粒1560、1570和1580的SWCNT光活性层1530沉积在涂有ITO 1520的玻璃基板1510，然后沉积金属层1540。
在图18中示出的本实施例的另一版本中，SWCNT界面层1830和1850可以用来增强电荷分离和收集效率，并进一步增强这些太阳能电池的光电转换效率。
示例7
在图16中示出的另一实施例中，多种类型的光活性纳米结构的混合物在光活性层中使用以最大化光子获得效率，该类型的光活性纳米结构的混合物的每个包括不同的光敏纳米颗粒。功能化的SWCNT与溶解在合适的溶剂中的功能化的光敏纳米颗粒反应以制备连接有光敏纳米颗粒1660、1670或1680的SWCNT。如图16所示，不同的光敏纳米颗粒敏化的SWCNT可以混合在一起以形成光活性层1690。材料类型、颗粒尺寸和纳米颗粒的比例可以被调整以获得宽带的吸收。由光敏纳米颗粒浓密地修饰的碳纳米管的混合物覆盖宽范围的带隙，其用于获得来自太阳光谱的重要部分的光子。
在图18中示出的本实施例另一版本中，SWCNT的界面层1830和1850可以用来增强电荷分离和收集效率并进一步增强这些太阳能电池的光电转换效率。
示例8
在图17中示出的另一实施例中，光活性层1730、1740和1750堆叠在各自的上面以最大化光子获得效率。层1730包括涂有纳米颗粒1732的SWCNT 1731，而层1740包括SWCNT 1741和纳米颗粒1742。层1750包括SWCNT 1751和纳米颗粒1752。
在图17中示出的太阳能电池可以通过在涂有ITO 1720的玻璃基板1710上沉积光活性层1730来制备。然后第二光活性层1740沉积在第一层1730上，接着沉积第三层1750。沉积金属层1760以完成器件。
图17中示出三个纳米颗粒层作为堆叠层器件的示例。可以使用额外的层以提高效率。
在图18中示出的本实施例的另一版本中，SWCNT界面层1830和1850可以用来增强电荷分离和收集效率，并进一步增强这些太阳能电池的光电转换效率。
本申请要求于2006年3月23日提交的美国临时专利申请第60/785,651号的优先权，将其全部内容引用结合于此。

Claims (32)

1.一种光伏器件，包括：
第一电极和第二电极，其中至少一个对太阳辐射是透明的；以及
所述第一电极和所述第二电极之间的光活性层，其与所述第一电极通过电子导通，与所述第二电极通过空穴导通，其中所述光活性层包括含有碳纳米管(CNT)和光敏纳米颗粒的光活性纳米结构。
2.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述光敏纳米颗粒共价连接到所述CNT。
3.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述光活性层还包括聚合物，所述光活性纳米结构分散在所述聚合物中。
4.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述碳纳米管是单壁碳纳米管(SWCNT)。
5.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述光敏纳米颗粒包括量子点、纳米棒、纳米双脚架、纳米三角架、纳米多脚架或者纳米线。
6.如权利要求5所述的光伏器件，其中所述光敏纳米颗粒是量子点。
7.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述光敏纳米颗粒包括CdSe、ZnSe、PbSe、InP、PbS、ZnS、Si、Ge、SiGe、CdTe、CdHgTe或者II-VI、II-IV和III-V族材料。
8.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述光活性层包括吸收来自太阳光谱不同部分的辐射的第一光敏纳米颗粒和第二光敏纳米颗粒。
9.如权利要求8所述的光伏器件，其中所述第一纳米颗粒和所述第二纳米颗粒在成分上不同。
10.如权利要求8所述的光伏器件，其中所述第一纳米颗粒和所述第二纳米颗粒具有不同的尺寸。
11.如权利要求8所述的光伏器件，其中所述第一纳米颗粒和所述第二纳米颗粒在尺寸和成分上不同。
12.如权利要求8所述的光伏器件，其中所述第一纳米颗粒和所述第二纳米颗粒连接到同一碳纳米管。
13.如权利要求8所述的光伏器件，其中所述第一纳米颗粒和所述第二纳米颗粒连接到不同碳纳米管。
14.如权利要求1所述的光伏器件，还包括含有碳纳米管和不同光敏纳米颗粒的纳米结构的第二光活性层，其中所述第一层和所述第二层吸收来自太阳光谱不同部分的辐射。
15.如权利要求14所述的光伏器件，其中所述第一光活性层和所述第二光活性层的纳米颗粒在成分上不同。
16.如权利要求14所述的光伏器件，其中所述第一光活性层和所述第二光活性层的纳米颗粒具有不同的尺寸。
17.如权利要求14所述的光伏器件，其中所述第一光敏层和所述第二光敏层的纳米颗粒在尺寸和成分上不同。
18.如权利要求1或14所述的光伏器件，还包括在所述第二电极和所述光活性层之间的空穴导电层。
19.如权利要求18所述的光伏器件，其中所述空穴导电层包括空穴导电聚合物。
20.如权利要求19所述的光伏器件，其中所述空穴导电聚合物包括P3HT、P3OT、MEH-PPV或者PEDOT。
21.如权利要求18所述的光伏器件，其中所述空穴导电层包括p型CNT。
22.如权利要求18所述的光伏器件，其中所述空穴导电层包括p型半导体。
23.如权利要求22所述的光伏器件，其中所述p型半导体是p掺杂的Si、p掺杂的Ge或者p掺杂的SiGe。
24.如权利要求22所述的光伏器件，其中所述p型半导体包括p掺杂的非晶硅、p掺杂的微晶硅或者p掺杂的纳米晶硅。
25.如权利要求1或14所述的光伏器件，还包括在所述第一电极和所述光活性层之间的电子导电层。
26.如权利要求25所述的光伏器件，其中所述电子导电层包括电子导电分子。
27.如权利要求26所述的光伏器件，其中所述电子导电分子包括八羟基喹啉铝。
28.如权利要求26所述的光伏器件，其中所述电子导电层包括n型CNT。
29.如权利要求26所述的光伏器件，其中所述空穴导电层包括n型半导体。
30.如权利要求29所述的光伏器件，其中所述n型半导体是非晶的、微晶的或者纳米晶的n掺杂的硅。
31.一种光伏器件，包括：
第一电极和第二电极，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个对太阳辐射是透明的，并且所述第一电极和第二电极中的至少一个包括CNT；和
所述第一电极和所述第二电极之间的光活性层，其与所述第一电极通过电子导通，与所述第二电极通过空穴导通，其中所述光活性层包括光敏纳米颗粒。
32.如权利要求31所述的光伏器件，其中所述光活性层还包括含有CNT和光敏纳米颗粒的光活性纳米结构。
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