CN103403906A - 光伏电池 - Google Patents

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Abstract

本公开内容特征为包括第一和第二电极、第一和第二电极间的光活化层、和第一电极和光活化层间的空穴载流子层的制品。该空穴载流子层包括含Cu(I)的材料。该制品构造为光伏电池。

Description

光伏电池
相关申请的交叉引用
依照35U.S.C.§119(e)，本申请要求2011年2月3日提交的U.S.临时申请序列号61/439,122的优先权，其内容通过参考并入本文。
技术领域
本公开内容涉及光伏电池，以及相关的组分、***、和方法。
背景技术
光伏电池通常用于将光形式的能量转换为电形式的能量。典型的光伏电池包括置于两个电极间的光活化材料。通常，光穿过电极之一或二者以与光活化材料相互作用。作为结果，电极之一或二者传输光（例如被光活化材料吸收的处于一个或多个波长的光）的能力可限制光伏电池的整体效率。在许多光伏电池中，将半导体材料的膜（例如，铟锡氧化物）用于形成光穿过其中的电极，因为虽然半导体材料可具有比导电材料低的导电性，但是半导体材料可传输比许多导电材料更多的光。
发明概述
该公开内容基于以下未预料到的发现：含Cu(I)的材料可被用于替代传统的酸性空穴载流子材料（例如，掺杂有聚苯乙烯磺酸盐（PSS）的聚(3,4-乙撑二氧噻吩)（PEDOT））以提供具有足够高能量转换效率的光伏电池。因此形成的光伏电池包括非酸性空穴载流子材料并因此可具有提高的稳定性和与传统的含酸性空穴载流子材料的光伏电池相匹敌的寿命。
一方面，该公开内容特征为一种包括第一和第二电极、在第一和第二电极之间的光活化层、和在第一电极和光活化层之间的空穴载流子层的制品。空穴载流子层包括含Cu(I)的材料。制品被构造为光伏电池。
另一方面，该公开内容特征为一种包括第一和第二电极、和在第一和第二电极之间的层的制品。该层包括含Cu(I)的材料。制品被构造为光伏电池。
实施方案可包括一个或多个以下特征。
在某些实施方案中，含Cu(I)的材料包括Cu(I)氧化物。例如，Cu(I)氧化物可包括Cu2O或CuxO，其中x为大于1并小于2的数。
在某些实施方案中，含Cu(I)的材料包括Cu(I)盐。Cu(I)盐可包括Cu2S、Cu2Se、Cu2Te、CuSCN、CuSeCN、或其组合。
在某些实施方案中，含Cu(I)的材料为纳米粒子形式。纳米粒子可具有至少约2nm和/或至多约200nm的平均直径。
在某些实施方案中，空穴载流子层进一步包括粘结剂。粘结剂可包括聚合物或溶胶凝胶。所述聚合物可包括丙烯酸系树脂、离子聚合物、或含受电子基团的聚合物。所述溶胶凝胶可由p-型溶胶形成，其可包括钒酸、氯化钒(V)、烷氧化钒(V)、氯化镍(II)、烷氧化镍(II)、醋酸铜(II)、烷氧化铜(II)、氯化钼(V)、烷氧化钼(V)、或其组合。在某些实施方案中，含Cu(I)的材料充分地均匀分散于粘结剂中。
在某些实施方案中，粘结剂为空穴载流子层体积的至少约1%和/或至多约50%。
在某些实施方案中，空穴载流子层具有至少约-6.5eV和/或至多约-4.8eV的功函数。
在某些实施方案中，空穴载流子层具有至少约5nm和/或至多约500nm的厚度。
在某些实施方案中，光活化层包括电子供体材料和电子受体材料。电子供体材料可包括选自聚噻吩、聚苯胺、聚咔唑、聚乙烯基咔唑、聚苯撑、聚苯基亚乙烯基、聚硅烷、聚亚噻吩基亚乙烯基、聚异硫茚(polyisothianaphthanenes)、聚环戊二噻吩、聚硅杂环戊二噻吩、聚环戊二噻唑、聚噻唑并噻唑、聚噻唑、聚苯并噻二唑、聚(噻吩氧化物)、聚(环戊二噻吩氧化物)、聚噻二唑并喹喔啉、聚苯并异噻唑、聚苯并噻唑、聚噻吩并噻吩、聚(噻吩并噻吩氧化物)、聚二噻吩并噻吩、聚(二噻吩并噻吩氧化物)、聚四氢异吲哚、聚芴、和其共聚物的聚合物。例如，电子供体材料可包括聚噻吩或聚环戊二噻吩。电子受体材料可包括选自富勒烯、无机纳米粒子、噁二唑、盘状液晶、碳纳米棒、无机纳米棒、含CN基团的聚合物、含CF3基团的聚合物、和其组合的材料。例如，电子受体材料可包括取代的富勒烯。
由说明书、附图、和权利要求书，其它特征、目标、和优点将是显而易见的。
附图说明
图1为光伏电池实施方案的剖视图。
图2为含串联电连接的多个光伏电池的***的示意图。
图3为含并联电连接的多个光伏电池的***的示意图。
不同附图中相同附图标记指示相同元件。
发明详述
通常，该公开内容涉及包括具有含Cu(I)的材料的层的光伏电池。所述层可在光伏电池中用作空穴载流子层。
图1显示了示例性光伏电池100的剖视图，其包括基底110、电极120、任选的空穴阻隔层130、光活化层140（例如，含电子受体材料和电子供体材料）、空穴载流子层150、电极160、和基底170。
通常，在使用期间，光可撞击到基底110的表面，并穿过基底110、电极120、和任选的空穴阻隔层130。然后光与光活化层140接触，引起电子自电子供体材料（例如，共轭聚合物）转移至电子受体材料（例如，取代的富勒烯）。然后电子受体材料传输电子通过任选的空穴阻隔层130至电极120，和电子供体材料将空穴转移通过空穴载流子层150至电极160。电极120和160经由外加负载电连接，以致电子自电极120穿过该负载至电极160。
空穴载流子层150通常包括含Cu(I)的材料。含Cu(I)的材料可包括Cu(I)氧化物、Cu(I)盐、或其组合。示例性的Cu(I)氧化物包括Cu2O和CuxO，其中x为大于1并小于2的数。示例性的Cu(I)盐包括Cu2S、Cu2Se、Cu2Te、CuSCN、CuSeCN、和其组合。在某些实施方案中，所述含Cu(I)的材料为p-型半导体。
不希望受理论限制，据信含Cu(I)的材料可用于替代传统的酸性空穴载流子材料（例如，掺杂有PSS的PEDOT）以提供具有足够高能量转换效率的光伏电池。因此形成的光伏电池包括非酸性空穴载流子材料并因此可具有与含酸性空穴载流子材料的传统光伏电池相比提高的稳定性和寿命。此外，不希望受理论限制，据信含Cu(I)的材料可具有足够大的空穴迁移率，这使得其可形成具有大膜厚度（例如，约50nm至约400nm之间）的空穴载流子层。该空穴载流子层可在大规模制备光伏电池期间最小化分流（shunting）（其可引起短路）。另外，所述含Cu(I)的材料通常比传统的空穴载体材料（例如，掺杂有PSS的PEDOT）更加水不敏感和更加廉价。因此，认为含Cu(I)的材料比已知的空穴载体材料出众。
在某些实施方案中，所述含Cu(I)的材料为纳米粒子形式。纳米粒子可具有至少约2nm（例如至少约5nm、至少约10nm、至少约20nm、或至少约30nm）和/或至多约200nm（例如至多约150nm、至多约100nm、至多约50nm、或至多约30nm）的平均直径。不希望受到理论限制，据信如果纳米粒子的平均直径太小，则含Cu(I)的材料不具有足够的空穴传导率以起到有效空穴载流子层的作用。此外，不希望受理论限制，据信如果纳米粒子的平均直径太大，则含Cu(I)的材料可能含有大孔并因此可能无法在制备光伏电池期间起到下层的有效的溶剂屏障的作用。优选地，纳米粒子可具有约10nm至约30nm的平均直径。
通常，含Cu(I)的材料可任选地掺杂有一种或多种掺杂剂以调节空穴载流子层150的功函数。适合的掺杂剂实例包括金属（例如，Ba、Be、Sr、Li、和稀土金属例如Y、La、和Ln）、C60和其衍生物、C70和其衍生物、单壁和多壁纳米管、和金属氧化物（例如，氧化锌或氧化钛）。
在某些实施方案中，空穴载流子层150可任选地包括粘结剂。不希望受理论限制，据信粘结剂可填充空穴载流子层中纳米粒子间的孔并改善空穴载流子层的机械稳定性。通常，所述含Cu(I)的材料充分地均匀分散于空穴载流子层150中的粘结剂中。另外，粘结剂通常不以其不匹配其相邻层的功函数（例如，与光活化层中电子供体材料的功函数显著不同）的方式影响空穴载流子层150的功函数。在某些实施方案中，含粘结剂的空穴载流子层150可具有约-6.5eV至约-4.8eV的功函数（例如，约-5.0eV）。
在某些实施方案中，粘结剂可包括聚合物。适合的聚合物实例包括丙烯酸系树脂、离子聚合物、和含受电子基团的聚合物。通常，聚合物可溶于有机溶剂（例如，醇溶剂、腈溶剂、或脂肪烃溶剂）。
示例性的丙烯酸系树脂包括甲基丙烯酸甲酯均聚物和共聚物、甲基丙烯酸乙酯均聚物和共聚物、甲基丙烯酸丁酯（例如，甲基丙烯酸正丁酯或甲基丙烯酸异丁酯）均聚物和共聚物。该丙烯酸系树脂的商业实例包括可购自Lucite International（Cordova，TN）的ELVACITE系列聚合物。
通常，适用作粘结剂的离子聚合物可包括阳性和/或阴性基团。示例性的阳性基团包括铵基（例如，四甲基铵）、鏻、和吡啶鎓盐。示例性的阴性基团包括羧酸根、磺酸根、磷酸根、和硼酸根。
通常，含受电子基团的聚合物可为含氟聚合物和含氰基聚合物。含氟聚合物可为完全氟化或部分氟化的聚合物。完全氟化的聚合物的实例包括聚(六氟丙烯)、聚(全氟烷基乙烯醚)、聚(全氟-(2,2-二甲基-1,3-二氧杂环戊烯(dioxole))、和聚(四氟乙烯)。部分氟化聚合物的实例包括聚(氟化乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、部分氟化的聚硅氧烷、部分氟化的聚丙烯酸酯、和部分氟化的聚甲基丙烯酸酯、部分氟化的聚苯乙烯、和部分氟化的聚(四氟乙烯)共聚物。含氟聚合物的商业实例包括可购自E.I.du Pont de Nemours and Company（Wilmington，DE）的TEFLON、TEFLON AF、NAFION、和TEDLAR系列聚合物，可购自Atochem（Philadelphia，PA）的KYNAR系列聚合物，和可购自Bellex International Corporation（Wilmington，DE）的CYTOP系列聚合物。氟化的离子聚合物（例如，含羧基、磺酸、膦酸的聚合物）也可用作适合的用于粘结剂的含氟聚合物。其它适合的受电子基团包括π-受电子基团（例如，五氟苯基和五氟苯甲酰基）和硼酸根基团（例如，五氟苯基硼酸盐）。
在某些实施方案中，粘结剂可包括溶胶凝胶。不希望受理论限制，认为含作为粘结剂的溶胶凝胶的空穴载流子层可展示出卓越的机械特性并可形成非常坚硬的膜。该层可在制备光伏电池期间用作下层的有效溶剂屏障。
在某些实施方案中，溶胶凝胶可为p-型半导体（即，p-型溶胶凝胶）。p-型溶胶凝胶可由p-型溶胶，例如含钒酸、氯化钒(V)物、烷氧化钒(V)、氯化镍(II)、烷氧化镍(II)、醋酸铜(II)、烷氧化铜(II)、氯化钼(V)、烷氧化钼(V)、或其组合的那些溶胶形成。不希望受理论限制，认为p-型溶胶凝胶不会以由此形成的空穴载流子层不匹配相邻层功函数的方式显著地改变含Cu(I)材料的功函数。
在某些实施方案中，粘结剂可为空穴载流子层150的至少约1vol%（例如，至少约2vol%、至少约5vol%、至少约10vol%或至少约20vol%）和/或至多约50vol%（例如，至多约40vol%、至多约30vol%、至多约25vol%、或至多约15vol%）。
通常，空穴载流子层150的功函数可按需要变化（例如，取决于光伏电池100中其相邻层的功函数）。在某些实施方案中，空穴载流子层150可具有至少约-6.5eV（例如，至少约-6.3eV、至少约-6.1eV、至少约-5.9eV或至少约-5.7eV）和/或至多约-4.8eV（例如，至多约-5.0eV、至多约-5.2eV、至多约-5.4eV或至多约-5.6eV）的功函数。
通常，空穴载流子层150的厚度（即，与光活化层140接触的空穴载流子层150表面和与空穴载流子层150接触的电极160表面间的距离）可按需变化。典型地，空穴载流子层150的厚度可为至少约5nm（例如，至少约10nm、至少约20nm、至少约50nm、至少约100nm或至少约200nm）和/或至多约500nm（例如，至多约400nm、至多约300nm或至多约250nm）。不希望受理论限制，认为具有足够大厚度（例如，约50nm到约400nm）的空穴载流子层150可在大规模制备光伏电池期间最小化分流。
通常，制备空穴载流子层150的方法可按需变化。在某些实施方案中，空穴载流子层150可经由基于气相的涂覆工艺，例如化学或物理气相沉积工艺制备。基于气相的涂覆工艺通常包括蒸发材料以将蒸发的材料涂覆（例如，于真空中）和施用到表面（例如，通过喷射）。
在某些实施方案中，空穴载流子层150可经由基于液体的涂覆工艺制备。本文提及的术语“基于液体的涂覆工艺”指的是使用基于液体的涂覆组合物的工艺。基于液体的涂覆组合物的实例包括溶液、分散液、和悬浮液。基于液体的涂覆工艺可通过使用至少一种以下的工艺进行：溶液涂覆、喷墨印刷、旋涂、浸涂、刀涂、棒涂、喷涂、辊涂、狭缝涂覆、凹版涂覆、柔性版印刷、或丝网印刷。基于液体的涂覆工艺的实例已描述于，例如共同所有的共同未决U.S.申请公开号2008-0006324中。不希望受理论限制，认为通过基于液体的涂覆工艺形成空穴载流子层150可导致具有足够大厚度的膜。该空穴载流子层可在大规模制备光伏电池期间最小化分流。
在某些实施方案中，当空穴载流子层150包括不带粘结剂的含Cu(I)材料时，基于液体的涂覆工艺可通过以下进行：(1)使含Cu(I)的材料（例如，Cu2O纳米粒子）与溶剂混合以形成分散液，(2)将该分散液涂覆于基底上，和(3)干燥该涂覆的分散液。示例性溶剂包括醇溶剂（例如，甲醇、乙醇、n-丙醇、i-丙醇、n-丁醇、i-丁醇、t-丁醇和甲氧基丙醇）、腈溶剂（例如，乙腈、丙腈和丁腈）、酮溶剂（例如，丙酮、甲乙酮、环丁酮和环内酯）、和脂肪烃溶剂（例如，己烷、庚烷和辛烷）。
在某些实施方案中，当空穴载流子层150包括含Cu(I)的材料和作为粘结剂的聚合物时，基于液体的涂覆工艺可通过以下进行：(1)使含Cu(I)的材料（例如，Cu2O纳米粒子）和聚合物（例如，丙烯酸系树脂）与溶剂混合以形成分散液，(2)将该分散液涂覆于基底上，和(3)干燥该涂覆的分散液。在某些实施方案中，在混合含Cu(I)的材料和聚合物之前，含Cu(I)的材料可分散于第一溶剂中和聚合物可溶解于第二溶剂中（所述第二溶剂可与第一溶剂相同或不同）。
在某些实施方案中，当空穴载流子层150包括含Cu(I)的材料和作为粘结剂的溶胶凝胶时，基于液体的涂覆工艺可通过以下进行：(1)使含Cu(I)的材料（例如，Cu2O纳米粒子）和溶胶凝胶前体（例如，烷氧化钒(V)）在适合的溶剂中混合以形成分散液，(2)将该分散液涂覆于基底上，(3)水解分散液以形成含有含Cu(I)材料的溶胶凝胶层，和(4)干燥该溶胶凝胶层。
关于光伏电池100的其它组分，基底110通常由透明材料形成。如本文所指，透明材料是在光伏电池100中所用厚度下传输至少约60%（例如，至少约70%、至少约75%、至少约80%、至少约85%）的处于在操作光伏电池期间所用的波长或波长范围下的入射光的材料。可自其形成基底110的示例性材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚合烃、纤维素聚合物、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚、和聚醚酮。在某些实施方案中，聚合物可为氟化聚合物。在某些实施方案中，使用聚合材料的组合。在某些实施方案中，基底110的不同区域可由不同材料形成。
通常，基底110可为柔性的、半刚性的或刚性的（例如，玻璃）。在某些实施方案中，基底110具有小于约5,000兆帕的弯曲模量（例如，小于约1,000兆帕或小于约500兆帕）。在某些实施方案中，基底110的不同区域可为柔性的、半刚性的、或硬性的（例如，一个或多个区域柔性而一个或多个不同区域半刚性，一个或多个区域柔性而一个或多个不同区域硬性）。
典型地，基底110具有至少约1微米（例如，至少约5微米或至少约10微米）和/或至多约1,000微米（例如，至多约500微米、至多约300微米、至多约200微米、至多约100微米或至多约50微米）的厚度。
通常，基底110可为经着色的或未经着色的。在某些实施方案中，基底110的一个或多个部分为经着色的而基底110的一个或多个不同部分为未经着色的。
基底110可具有一个平坦表面（例如，光撞击于其上的表面）、两个平坦表面（例如，光撞击于其上的表面和相反表面）、或无平坦表面。基底110的非平坦表面可例如为弯曲的或阶梯状的。在某些实施方案中，基底110的非平坦表面为图案化的（例如，具有图案化的步骤以形成菲涅耳透镜、双凸透镜或光栅棱镜）。
电极120通常由导电材料形成。示例性的导电材料包括导电金属、导电合金、导电聚合物和导电金属氧化物。示例性导电金属包括金、银、铜、铝、镍、钯、铂、和钛。示例性导电合金包括不锈钢（例如，332不锈钢、316不锈钢）、金合金、银合金、铜合金、铝合金、镍合金、钯合金、铂合金和钛合金。示例性导电聚合物包括聚噻吩（例如，掺杂的聚(3,4-乙撑二氧噻吩)（掺杂的PEDOT））、聚苯胺（例如，掺杂的聚苯胺）、聚吡咯（例如，掺杂的聚吡咯）。示例性导电金属氧化物包括铟锡氧化物、氟化锡氧化物、锡氧化物和锌氧化物。在某些实施方案中，使用导电材料的组合。
在某些实施方案中，电极120可包括网状电极。网状电极的实例描述于共同未决U.S.专利申请公开号2004-0187911和2006-0090791中。
在某些实施方案中，上述材料的组合可用于形成电极120。
任选地，光伏电池100可包括空穴阻隔层130。空穴阻隔层通常由在光伏电池100中所用厚度下传输电子至电极120并充分阻塞空穴向电极120传输的材料形成。可形成空穴阻隔层的材料实例包括LiF、金属氧化物（例如，氧化锌或氧化钛）、和胺（例如，伯胺、仲胺或叔胺）。适用于空穴阻隔层的胺实例已描述于例如共同未决U.S.申请公开号2008-0264488中。
不希望受理论限制，认为当光伏电池100包括由胺制得的空穴阻隔层时，空穴阻隔层可促进光活化层140和电极120之间欧姆接触的形成而不曝露于UV光，从而减少由于UV曝露而对光伏电池100的破坏。
在某些实施方案中，空穴阻隔层130可具有至少约1nm（例如，至少约2nm、至少约5nm或至少约10nm）和/或至多约50nm（例如，至多约40nm、至多约30nm、至多约20nm或至多约10nm）的厚度。
光活化层140通常含有电子受体材料（例如，有机电子受体材料）和电子供体材料（例如，有机电子供体材料）。
电子受体材料的实例包括富勒烯、无机纳米粒子、噁二唑、盘状液晶、碳纳米棒、无机纳米棒、含能够接受电子或形成稳定阴离子的基团的聚合物（例如，含CN基团聚合物或含CF3基团聚合物）、和其组合。在某些实施方案中，电子受体材料为取代富勒烯（例如，苯基-C61-丁酸甲基酯（PCBM-C60）或苯基-C71-丁酸甲基酯（PCBM-C70））。在某些实施方案中，电子受体材料的组合可用于光活化层140。
电子供体材料的实例包括共轭聚合物，例如聚噻吩、聚苯胺、聚咔唑、聚乙烯基咔唑、聚苯撑、聚苯基亚乙烯基、聚硅烷、聚亚噻吩基亚乙烯基、聚异硫茚、聚环戊二噻吩、聚硅杂环戊二噻吩、聚环戊二噻唑、聚噻唑并噻唑、聚噻唑、聚苯并噻二唑、聚(噻吩氧化物)、聚(环戊二噻吩氧化物)、聚噻二唑并喹喔啉、聚苯并异噻唑、聚苯并噻唑、聚噻吩并噻吩、聚(噻吩并噻吩氧化物)、聚二噻吩并噻吩、聚(二噻吩并噻吩氧化物)、聚四氢异吲哚、聚芴、和其共聚物。在某些实施方案中，电子供体材料可以是聚噻吩(例如聚(3-己基噻吩))、聚环戊二噻吩及其共聚物。在某些实施方案中，电子供体材料的组合可用于光活化层140。
适用于光活化层140的其它聚合物的实例已描述于例如U.S.专利号7,781,673和7,772,485、PCT申请号PCT/US2011/020227、和U.S.申请公开号2010-0224252、2010-0032018、2008-0121281、2008-0087324、2007-0020526、和2007-0017571中。
电极160通常由导电材料形成，例如一种或多种以上关于电极120所描述的导电材料。在某些实施方案中，电极160由导电材料的组合形成。在某些实施方案中，电极160可由网状电极形成。
基底170可与基底110相同或不同。在某些实施方案中，基底170可形成于一种或多种适合的聚合物，例如以上所述的基底110中所用的聚合物。
通常，制备光伏电池100中的层120、130、140、和160的每层的方法可按需变化。在某些实施方案中，层120、130、140、或160可通过基于气相的涂覆工艺或基于液体的涂覆工艺，例如以上所述的那些工艺制备。
在某些实施方案中，当层（例如，层120、130、140或160）包括无机半导体材料时，基于液体的涂覆工艺可通过以下进行：(1)使无机半导体材料与溶剂（例如，水性溶剂或无水醇）混合以形成分散液，(2)将该分散液涂覆于基底上，和(3)干燥该涂覆的分散液。在某些实施方案中，用于制备含无机金属氧化物纳米粒子的层的基于液体的涂覆工艺可通过以下进行：(1)将前体（例如钛盐）分散于适合的溶剂（例如无水醇）中以形成分散液，(2)将该分散液涂覆于基底上，(3)水解该分散液以形成金属氧化物纳米粒子层（例如氧化钛纳米粒子层），和(4)干燥该金属氧化物纳米粒子层。在某些实施方案中，基于液体的涂覆工艺可通过溶胶凝胶工艺进行。
通常，用于制备含有机半导体材料的层（例如，层120、130、140、或160）的基于液体的涂覆工艺可与制备含无机半导体材料的层所用的工艺相同或不同。在某些实施方案中，为了制备包括有机半导体材料的层，基于液体的涂覆工艺可通过以下进行：使有机半导体材料与溶剂（例如有机溶剂）混合以形成溶液或分散液，将该溶液或分散液涂覆于基底上，和干燥该涂覆的溶液或分散液。
在某些实施方案中，光伏电池100可以连续制备工艺制备，例如卷到卷工艺，从而显著地降低制备成本。卷到卷工艺的实例已描述于例如共同所有的共同未决U.S.专利号7,476,278和U.S.申请公开号2007-0295400中。
当某些实施方案已被公开时，其它实施方案也是可能的。
在某些实施方案中，光伏电池100包括作为底电极的阴极（即，电极120）和作为顶电极的阳极（即，电极160）。在某些实施方案中，光伏电池100可包括作为底电极的阳极和作为顶电极的阴极。
在某些实施方案中，光伏电池100可包括图1所示的相反顺序的层。换句话说，光伏电池100可包括自底部至顶部为以下顺序的这些层：基底170、电极160、空穴载流子层150、光活化层140、任选的空穴阻隔层130、电极120和基底110。
在某些实施方案中，基底110和170中的一个可为透明的。在其它实施方案中，基底110和170二者可为透明的。
在某些实施方案中，以上所述含Cu(I)的材料可用于***中空穴载流子层中，所述***中两个光伏电池共用一个共同的电极。该***也称作串联光伏电池。示例性串联光伏电池已描述于例如共同未决U.S.申请公开号2009-0211633、2007-0181179、2007-0246094、和2007-0272296中。
在某些实施方案中，多个光伏电池可电连接以形成光伏***。作为实例，图2为具有含多个光伏电池220的模块210的光伏***200示意图。电池220串联电连接，且***200电连接至负荷230。作为另一个实例，图3为具有含多个光伏电池320的模块310的光伏***300示意图。电池320并联电连接，且***300电连接至负荷330。在某些实施方案中，光伏发电***中的一些（例如，全部）光伏电池可置于一个或多个共同的基底上。在某些实施方案中，光伏***中的一些光伏电池为串联电连接，和光伏***中的一些光伏电池为并联电连接。
虽然已描述了有机光伏电池，但也可基于本文所述的含Cu(I)的材料制备其它光伏电池。这些光伏电池的实例包括染料敏化光伏电池和具有光活化材料的无机光敏电池，所述光活化材料由无定形硅、硒化镉、碲化镉、硒化铜铟和硒化铜铟镓形成。在某些实施方案中，混合(hybrid)光伏电池可与本文所述的含Cu(I)材料整合。
虽然以上已描述了光伏电池，但在某些实施方案中，本文所述的含Cu(I)材料可用于其它器件和***。例如，含Cu(I)的材料可用于适合的有机半导体器件中，例如场效应晶体管、光电探测器（例如IR探测器）、光伏探测器、成像器件（例如用于照相机或医学成像***的RGB成像器件）、发光二极管（LED）（例如有机LED（OLED）或IR或近IR LED）、激光器件、变换层（例如，将可见发射转变为IR发射的层）、用于电讯的放大器和发射器（例如用于光纤的掺杂剂）、存储元件（例如全息存储元件）和电致变色器件（例如电致变色显示器）。
本文引用的全部出版物（例如，专利、专利申请公开和文章）的内容通过参考以其整体并入本文。
阐述以下实施例而并不意欲限制本申请。
实施例1：制造具有含Cu2O纳米粒子和ELVACITE聚合物的空穴载流子层的光伏电池
按以下制备具有空穴载流子层的光伏电池，所述空穴载流子层含有PEDOT（作为对照）或者Cu2O纳米粒子与ELVACITE聚合物的组合：
将铟-锡-氧化物涂覆的塑料基底切成2”×2”尺寸的正方形并结构化成导电电极条。通过在异丙醇（IPA）中超声处理10分钟来清洁基底。然后使用***干燥基底并用烷氧化钛溶胶（其含有处于异丙醇中的0.1M四丁氧化钛）于80°C下使用刀涂涂覆基底。然后于80°C下干燥烷氧化钛膜2分钟并于120°C下退火10分钟以形成作为空穴阻隔层的TiOx层。通过于65°C下将2.5%溶液刀涂于TiOx层上形成光活化层，所述溶液含有处于o-二甲苯中的1:1重量比的电子供体材料和电子受体材料。电子供体材料为聚(3-己基噻吩)（P3HT）（可购自BASF，Basel（瑞士））和聚(环戊二噻吩-共-硅杂环戊二噻吩-共-苯并噻二唑)（可购自Konarka Technologies,Inc.，Lowell，MA）的2:1重量比混合物。电子受体材料为C60-PCBM（可购自Solenne BV（Groningen（荷兰）））。然后于65°C下干燥膜5分钟以形成光活化层。在不同刮刀温度和不同涂覆速度下使用刮刀涂布机将空穴载流子层涂覆于光活化层上。干燥后，将整个涂层叠层体于140°C下退火5分钟并使用真空蒸发将银层涂覆于空穴载流子层上以形成电极。
使用以上程序制备七种类型的光伏电池：光伏电池（1）和（2）包括空穴载流子层，其分别通过以40mm/sec的涂覆速度于80°C下涂覆PEDOT/PSS和以7.5mm/sec的涂覆速度于65°C下涂覆PEDOT/PSS制备。光伏电池（3）包括空穴载流子层，其通过于80°C下以10mm/sec的涂覆速度涂覆含处于丁醇中的0.5wt%Cu2O纳米粒子和0.25wt%ELVACITE-2013聚合物（Lucite Internation，Cordova，TN）的分散液来制备。光伏电池（4）包括空穴载流子层，其通过于80°C下以20mm/sec的涂覆速度涂覆含于丁醇中的1wt%Cu2O纳米粒子和0.5wt%ELVACITE-2013聚合物的分散液来制备。光伏电池（5）包括空穴载流子层，其通过于65°C下以40mm/sec的涂覆速度涂覆包含于1:1丁醇-IPA中的0.5wt%Cu2O纳米粒子和0.25wt%ELVACITE聚合物的分散液来制备。
使用太阳模拟器在AM1.5条件下测量由此形成的光伏电池的性能。结果总结于表1。表1中所列的值是基于2-4个电池测量的平均结果。
表1
Figure BDA00003481380000142
如表1所示，光伏电池(3)-(7)展示出与光伏电池（1）和（2）相似的效率。
实施例2：制造具有含Cu2O纳米粒子而不含聚合物或含不同类型聚合物的空穴载流子层的光伏电池
按照实施例1所述程序制备四种类型的光伏电池：光伏电池（1）包括含PEDOT/PSS的空穴载流子层作为对照。光伏电池（2）包括空穴载流子层，其由仅包含于IPA中的0.5wt%Cu2O纳米粒子（即不含任何聚合物）的分散液制得。光伏电池（3）包括空穴载流子层，其由包含于甲氧基丙醇中的2.0wt%Cu2O纳米粒子和0.2wt%ELVACITE聚合物的分散液制得。光伏电池（4）包括空穴载流子层，其由包含于甲氧基丙醇中的2.0wt%Cu2O纳米粒子和0.33wt%NAFION聚合物的分散液制得。全部类型的光伏电池在65°C和80°C的叶刀温度下制备。
使用太阳模拟器在AM1.5条件下测量由此形成的光伏电池的性能。结果总结于表2。表2中所列的值是基于四个电池测量的平均结果。
表2
Figure BDA00003481380000151
如表2所示，光伏电池（2）-（4）展示出与光伏电池（1）类似的光伏特性。
实施例3：含Cu2O纳米粒子和多种不同聚合物粘结剂的空穴载流子层
通过使用分散液制备可用作空穴载流子层的涂料，所述分散液单独含Cu2O纳米粒子或在以下粘结剂的存在下以丁醇中20/3的重量比含Cu2O纳米粒子：（1）Disperbyk-190，可购自BYK-Chemie GmbH（Wesel，Germany），（2）Solplus D540，可购自Lubrizol AdvancedMaterials（Cleveland，Ohio），（3）由AB111446（即全氟辛基三乙氧基硅烷，可购自ABCR GmbH&Co.KG，Karlsruhe，Germany）制备的溶胶凝胶，和（4）Zusoplast9002（即聚乙二醇200，可购自Zschimmer&Schwarz，Lahnstein，Germany）。测量干燥涂层的厚度、传导率、和功函数并总结于表3中。
表3
样品 分散添加剂 厚度(nm) 传导率(S/cm) 功函数(eV)
(I) Disperbyk-190 205 1×10-6 -4.4
(II) Disperbyk-190 197 1×10-6 -4.4
(III) Disperbyk-190 300 1×10-6 -4.4
(IV) Solplus D540 148 2×10-7 -4.4
(V) AB111446溶胶凝胶 402 8×10-8 -5.15
(VI) Zusoplast9002 N/A 1×10-7 -4.35
(VII) 无粘结剂 N/A 7×10-8 -4.95
结果显示样品(V)和(VII)展示出与P3HT的功函数类似的功函数（即约-5eV）。
实施例4：制造含实施例3中空穴载流子层的光伏电池
含实施例3中所述的基于Disperbyk-190和AB111446溶胶凝胶的空穴载流子层的光伏电池按照实施例1所述程序制备。使用太阳模拟器在AM1.5条件下测量由此形成的光伏电池的性能。
结果显示含基于AB111446溶胶凝胶的空穴载流子层的光伏电池展示出与含基于Disperbyk-190的空穴载流子层的光伏电池相比出众的性能。不希望受理论限制，认为前者类型光伏电池所展示出的出众性能归因于含AB111446溶胶凝胶的空穴载流子层的功函数比含Disperbyk-190的空穴载流子层更接近于光活化层中P3HT的功函数。
其它实施方案述于权利要求书中。

Claims (27)

1.一种制品，包含：
第一和第二电极，
第一和第二电极之间的光活化层，和
第一电极和光活化层之间的空穴载流子层，该空穴载流子层包含含Cu(I)的材料，
其中将该制品构造为光伏电池。
2.权利要求1的制品，其中所述含Cu(I)的材料包含Cu(I)氧化物。
3.权利要求2的制品，其中所述Cu(I)的氧化物包含Cu2O或CuxO，其中x为大于1并小于2的数。
4.权利要求1的制品，其中所述含Cu(I)的材料包含Cu(I)盐。
5.权利要求1的制品，其中所述Cu(I)盐包含Cu2S、Cu2Se、Cu2Te、CuSCN或CuSeCN。
6.权利要求1的制品，其中所述含Cu(I)的材料为纳米粒子形式。
7.权利要求6的制品，其中所述纳米粒子具有至少约2nm的平均直径。
8.权利要求6的制品，其中纳米粒子具有至多约200nm的平均直径。
9.权利要求1的制品，其中所述空穴载流子层进一步包含粘结剂。
10.权利要求9的制品，其中所述粘结剂包含聚合物。
11.权利要求10的制品，其中所述聚合物包含丙烯酸系树脂、离子聚合物或含受电子基团的聚合物。
12.权利要求9的制品，其中所述粘结剂包含溶胶凝胶。
13.权利要求12的制品，其中所述溶胶凝胶由p-型溶胶形成。
14.权利要求13的制品，其中所述p-型溶胶包含钒酸、氯化钒(V)、烷氧化钒(V)、氯化镍(II)、烷氧化镍(II)、醋酸铜(II)、烷氧化铜(II)、氯化钼(V)、烷氧化钼(V)或其组合。
15.权利要求9的制品，其中所述含Cu(I)的材料基本上均匀分散于粘结剂中。
16.权利要求9的制品，其中所述粘结剂为空穴载流子层体积的至多约50%。
17.权利要求9的制品，其中所述粘结剂为空穴载流子层体积的至少约1%。
18.权利要求1的制品，其中所述空穴载流子层具有至少约-6.5eV的功函数。
19.权利要求1的制品，其中所述空穴载流子层具有至多约-4.8eV的功函数。
20.权利要求1的制品，其中所述空穴载流子层具有至少约5nm的厚度。
21.权利要求1的制品，其中所述空穴载流子层具有至多约500nm的厚度。
22.权利要求1的制品，其中所述光活化层包含电子供体材料和电子受体材料。
23.权利要求22的制品，其中所述电子供体材料包含选自聚噻吩、聚苯胺、聚咔唑、聚乙烯基咔唑、聚苯撑、聚苯基亚乙烯基、聚硅烷、聚亚噻吩基亚乙烯基、聚异硫茚、聚环戊二噻吩、聚硅杂环戊二噻吩、聚环戊二噻唑、聚噻唑并噻唑、聚噻唑、聚苯并噻二唑、聚(噻吩氧化物)、聚(环戊二噻吩氧化物)、聚噻二唑并喹喔啉、聚苯并异噻唑、聚苯并噻唑、聚噻吩并噻吩、聚(噻吩并噻吩氧化物)、聚二噻吩并噻吩、聚(二噻吩并噻吩氧化物)、聚四氢异吲哚、聚芴、和其共聚物的聚合物。
24.权利要求23的制品，其中所述电子供体材料包含聚噻吩或聚环戊二噻吩。
25.权利要求22的制品，其中所述电子受体材料包含选自富勒烯、无机纳米粒子、噁二唑、盘状液晶、碳纳米棒、无机纳米棒、含CN基团的聚合物、含CF3基团的聚合物、和其组合的材料。
26.权利要求25的制品，其中所述电子受体材料包含取代的富勒烯。
27.一种制品，包含：
第一和第二电极，
第一和第二电极之间的层，该层包含含Cu(I)的材料，其中该制品构造为光伏电池。
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