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DE102011077706A1 - Bicontinuous, interpenetrating composite useful in photovoltaic device e.g. solar cell, comprises semiconducting organic phase, semiconducting particulate phase, p-n junctions at interfaces, and processing aid - Google Patents

Bicontinuous, interpenetrating composite useful in photovoltaic device e.g. solar cell, comprises semiconducting organic phase, semiconducting particulate phase, p-n junctions at interfaces, and processing aid Download PDF

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DE102011077706A1
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DE
Germany
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particles
phase
bicontinuous
semiconducting
interpenetrating composite
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102011077706A
Other languages
German (de)
Inventor
Richard BROTZMAN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nextgen Solar LLC
Original Assignee
Nextgen Solar LLC
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Filing date
Publication date
Priority claimed from US12/817,714 external-priority patent/US20110247693A1/en
Application filed by Nextgen Solar LLC filed Critical Nextgen Solar LLC
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Abstract

Zusammensetzungen und Artikel umfassend einen und Verfahren zur Herstellung eines binkontinuierlichen sich gegenseitig durchdringenden Verbundwerkstoffs aus einer halbleitenden organischen Phase, einer halbleitenden Teilchenphase und einer Vielzahl von p-n-Übergängen an Grenzflächen zwischen der halbleitenden organischen Phase und der halbleitenden Teilchenphase. Der bikontinierliche sich gegenseitig durchdringende Verbundwerkstoff ist ein neues fotovoltaisches Material, das den fotovoltaischen Umwandlungswirkungsgrad erhöhen und die Herstellungskosten von Fotovoltaikvorrichtungen verringern kann.Compositions and articles comprising and methods of making a bi-continuous interpenetrating composite of a semiconducting organic phase, a semiconducting particulate phase and a plurality of p-n junctions at interfaces between the semiconducting organic phase and the semiconducting particulate phase. The bicontinous interpenetrating composite is a new photovoltaic material that can increase photovoltaic conversion efficiency and reduce the cost of manufacturing photovoltaic devices.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNGAREA OF REVELATION

Die Erfindung betrifft fotoaktive Materialien in Fotovoltaikvorrichtungen, insbesondere Solarzellen.The invention relates to photoactive materials in photovoltaic devices, in particular solar cells.

KURZE BESCHREIBUNG DER BETROFFENEN TECHNIKBRIEF DESCRIPTION OF THE RELATED TECHNIQUE

In 1 sind Elemente einer Fotovoltaikvorrichtung (Solarzelle) dargestellt. Das Ziel besteht darin, Strom zu erzeugen, indem: (1) ein starker Kurzschlussstrom Isc erzeugt wird, (2) eine hohe Leerlaufspannung Voc erzeugt wird und (3) parasitäre Stromverlustmechanismen minimiert werden. Isc hängt ab von: 1) der Erzeugung von strahlungsgenerierten Trägern und 2) der Sammlung von lichtgenerierten Trägern. Die Absorption einfallender Photonen zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren wie in 2 dargestellt, wobei negative und positive Kreise Elektron (negativer Ladungsträger) bzw. Loch (positiver Ladungsträger) repräsentieren, tritt ein, wenn das einfallende Photon eine Energie (Eph) von mehr als dem Bandabstand (Eg) aufweist. Photonen mit Eph < Eg werden nicht absorbiert und gehen verloren. Wenn ein Photon Energie oberhalb Eg aufweist, geht die überschüssige Energie oberhalb von Eg als Wärme verloren. Der Wert des Bandabstands bestimmt somit den maximal möglichen Strom und die erzeugte Wärme. Wenn der Photonenabsorber ein einziges Material mit einem einzigen Bandabstand ist, gehen verfügbare Photonen verloren und die Zelle arbeitet mit vermindertem Wirkungsgrad.In 1 Elements of a photovoltaic device (solar cell) are shown. The goal is to generate power by: (1) generating a strong short circuit current I sc , (2) generating a high open circuit voltage V oc , and (3) minimizing parasitic current loss mechanisms. I sc depends on: 1) the generation of radiation-generated carriers and 2) the collection of light-generated carriers. The absorption of incident photons to produce electron-hole pairs as in 2 where negative and positive circles represent electron (negative carrier) or hole (positive carrier) occurs when the incident photon has an energy (E ph ) greater than the band gap (E g ). Photons with E ph <E g are not absorbed and are lost. If a photon has energy above E g , the excess energy above E g is lost as heat. The value of the band gap thus determines the maximum possible current and the heat generated. If the photon absorber is a single bandgap material, available photons are lost and the cell operates at a reduced efficiency.

Bei aktuellen Fotovoltaikvorrichtungen werden Strahlungssammelmaterialien in Planarfilmarchitekturen verwendet. Auf eine planare Oberfläche einfallende Strahlung wird eine reflektierte Komponente aufweisen, die den Absorptionswirkungsgrad verringert – oft werden Antireflexbeschichtungen an Materialgrenzflächen verwendet, um reflektive Verluste zu mindern, reflektive Verluste können jedoch nicht beseitigt werden. Die Verwendung der gestapelten Filmarchitektur (offenbart in der US-Patentanmeldung 280264475A1) oder von in Reihe gestapelten aber elektrisch isolierten Solarzellen (offenbart in dem US-Patent 4,094,704 ) verringert die Absorption mäßig und beseitigt reflektive Verluste nicht. Zusätzlich erhöht die Integration von Antireflexbeschichtungen und Mehrschicht-Vorrichtungsarchitekturen Komplexität und Kosten der Anordnung.Current photovoltaic devices use radiation collection materials in planar film architectures. Radiation incident on a planar surface will have a reflected component that reduces absorption efficiency - often anti-reflective coatings on material interfaces are used to reduce reflective losses, but reflective losses can not be eliminated. The use of the stacked film architecture (disclosed in US patent application Ser. No. 280264475A1) or series stacked but electrically isolated solar cells (disclosed in US Pat U.S. Patent 4,094,704 ) moderately reduces absorption and does not eliminate reflective losses. In addition, the integration of anti-reflective coatings and multi-layer device architectures adds complexity and cost to the array.

Die Verwendung von organisch-anorganischen Verbundwerkstoffen in Fotovoltaikvorrichtungen ist bekannt. Die japanische Patentanmeldung 24071682A2 offenbart ein Verbundmaterial (Titanoxid gemischt mit einem leitenden Polymer), das verwendet wird, um eine Diode zu erzeugen, die sich außerhalb der Solarzelle befindet und zum Steuern der Stromleitung verwendet wird. Das US-Patent 4,971,633 offenbart einen dünnen Film aus porösem Al2O3-Styrenacrylat-Verbundwerkstoff, der als thermisch leitende dielektrische Schicht verwendet wird, die die Solarzellen und den Kühlkörper elektrisch isoliert. Die japanische Patentanmeldung 221 00793A2 offenbart ein Verbundmaterial, das zum Bilden einer Solarbatterie verwendet wird. Das US-Patent 6,261,469 offenbart dreidimensionale periodische Arrays sphärischer Partikel, die durch einen oder mehrere Extraktions- und Infiltrationsschritte verarbeitet werden, um einen organisch-anorganischen Verbundwerkstoff herzustellen. Das US-Patent 6,710,366 offenbart ein Nanoverbundmaterial, das ein Matrixmaterial und mehrere in dem Matrixmaterial verstreute Quantenpunkte enthält, mit einem nichtlinearen Brechungsindex und erhöhter Strahlungsabsorption zwischen 3 × 10–5 cm und 2 × 10–4 cm. Die US-Patentanmeldung 290071539A1 offenbart einen Nanoverbundwerkstoff, der amorphes Silizium und nanokristallines Silizium enthält, wodurch der Umwandlungsgrad einer Solarzelle verbessert wird.The use of organic-inorganic composites in photovoltaic devices is known. The Japanese Patent Application 24071682A2 discloses a composite material (titanium oxide mixed with a conductive polymer) that is used to create a diode that is external to the solar cell and used to control the power line. The U.S. Patent 4,971,633 discloses a thin film of porous Al 2 O 3 styrene acrylate composite used as a thermally conductive dielectric layer that electrically insulates the solar cells and the heat sink. The Japanese Patent Application 221 00793A2 discloses a composite material used to form a solar battery. The U.S. Patent 6,261,469 discloses three-dimensional periodic arrays of spherical particles processed through one or more extraction and infiltration steps to produce an organic-inorganic composite. The U.S. Patent 6,710,366 discloses a nanocomposite material containing a matrix material and a plurality of quantum dots scattered in the matrix material having a nonlinear refractive index and increased radiation absorption between 3 × 10 -5 cm and 2 × 10 -4 cm. US Patent Application 290071539A1 discloses a nanocomposite containing amorphous silicon and nanocrystalline silicon, thereby improving the degree of conversion of a solar cell.

Das US-Patent 7,341,774 offenbart eine elektronische oder optoelektronische Vorrichtung mit einem sich gegenseitig durchdringenden Netz aus einem nanostrukturierten Filmmaterial mit hohem Verhältnis von Flächeninhalt zu Volumen und einem organisch-anorganischem Material, wodurch ein Nanoverbundwerkstoff gebildet wird. Dieses Material wird gebildet durch Abscheiden des Materials mit hohem Verhältnis von Flächeninhalt zu Volumen auf ein Elektrodensubstrat und Bilden des sich gegenseitig durchdringenden Netzes durch Einfügen des organisch-anorganischen Netzes in das Leervolumen des Materials mit hohem Verhältnis von Flächeninhalt zu Volumen, während es an der Elektrode angebracht ist. Der organisch-anorganische Nanoverbundwerkstoff dient als die Grundelemente des Films umgebendes Füllmaterial.The U.S. Patent 7,341,774 discloses an electronic or optoelectronic device having a interpenetrating network of nanostructured film material having a high surface area to volume ratio and an organic-inorganic material, thereby forming a nanocomposite. This material is formed by depositing the high surface area to volume ratio material onto an electrode substrate and forming the interpenetrating network by inserting the organic-inorganic network into the void volume of the high surface area to volume ratio material, while at the electrode is appropriate. The organic-inorganic nanocomposite material serves as the filler surrounding the basic elements of the film.

Konarka offenbarte (2008 Nanotechnology Symposium, 20.11.08, Evanston, IL) Verbundwerkstoffe aus Poly-3-hexylthiophen/Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (P3HT-PCBM) als Lichtsammelmaterialien in Fotovoltaiksystemen. Es wurden Solar-Umwandlungswirkungsgrade von 5%–6,5% beansprucht, was auf verstreute Verbundwerkstoffe hinweist, und nicht auf bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Morphologien.Konarka (2008 Nanotechnology Symposium, Nov. 20, 2008, Evanston, IL) disclosed composites of poly-3-hexylthiophene / phenyl-C61-butyric acid methyl ester (P3HT-PCBM) as light harvesting materials in photovoltaic systems. Solar conversion efficiencies of 5% -6.5% were claimed, indicating scattered composites rather than bicontinuous interpenetrating morphologies.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Eine Ausführungsform der Offenbarung ist ein bikontinuierlicher sich gegenseitig durchdringender Verbundwerkstoff, der eine halbleitende organische Phase, eine halbleitende Teilchenphase und eine Vielzahl von p-n-Übergänge an Grenzflächen zwischen der halbleitenden organischen Phase und der halbleitenden Teilchenphase umfasst, wobei die halbleitende organische Phase und die halbleitende Teilchenphase sich gegenseitig durchdringen und bikontinuierlich sind.One embodiment of the disclosure is a bicontinuous interpenetrating composite comprising a semiconductive organic phase, a semiconducting particulate phase, and a plurality of pn junctions at interfaces between the semiconducting organic phase and the semiconducting particle phase, wherein the semiconductive organic phase and the semiconductive particle phase interpenetrate and are bicontinuous.

Eine weitere Ausführungsform ist eine Fotovoltaikvorrichtung, die einen leitfähigen vorderen Kontakt, einen leitfähigen hinteren Kontakt und zwischen dem vorderen Kontakt und dem hinteren Kontakt den bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringenden Verbundwerkstoff umfasst.Another embodiment is a photovoltaic device that includes a conductive front contact, a conductive rear contact, and the bicontinuous interpenetrating composite between the front contact and the rear contact.

Noch eine weitere Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen des bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringenden Verbundwerkstoffs, das Beimischen eines organischen Polymers, einer ersten Vielzahl von Teilchen und einer zweiten Vielzahl von Teilchen umfasst, wobei die erste Vielzahl von Teilchen einen Umfang an Oberflächenbehandlung aufweist, der größer als die zweite Vielzahl von Teilchen ist.Yet another embodiment is a method of making the bicontinuous interpenetrating composite comprising admixing an organic polymer, a first plurality of particles, and a second plurality of particles, wherein the first plurality of particles has a surface treatment greater than the second plurality of particles is.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING FIGURES

1 ist eine beispielhafte Abbildung der Elemente einer Solarzelle. 1 is an exemplary illustration of the elements of a solar cell.

2 ist eine beispielhafte Abbildung der Absorption einfallender Photonen zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren. 2 is an example of the absorption of incident photons to produce electron-hole pairs.

3 zeigt eine Solarzelle. 3 shows a solar cell.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung nutzt einen organisch-teilchenförmigen Verbundwerkstoff mit einer bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringenden Morphologie (d. h. einen bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringenden Verbundwerkstoff). Der Verbundwerkstoff wirkt als das Strahlungssammelelement in einer Fotovoltaikvorrichtung. Der bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Verbundwerkstoff enthält zwei kontinuierliche Hauptmassephasen: eine organische Phase und eine Teilchenphase. In einer Ausführungsform können beide Phasen einfallende Strahlung absorbieren und strahlungsgenerierte Ladungsträger erzeugen. Der bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Verbundwerkstoff umfasst ferner an der Grenzfläche zwischen den zwei Phasen einen p-n-Übergang, der eine Rekombination von strahlungsgenerierten Ladungsträgern verhindert und das Sammeln von strahlungsgenerierten Ladungsträgern erlaubt. In einer Ausführungsform trennt die Anwesenheit des elektrischen Felds an der p-n-Übergangsgrenzfläche räumlich Elektronen und positive Ladungsträger.The present invention utilizes an organic particulate composite having a bicontinuous interpenetrating morphology (i.e., a bicontinuous interpenetrating composite). The composite acts as the radiation collection element in a photovoltaic device. The bicontinuous interpenetrating composite contains two main bulk phases: an organic phase and a particle phase. In one embodiment, both phases can absorb incident radiation and generate radiation generated carriers. The bicontinuous interpenetrating composite further includes a p-n junction at the interface between the two phases, which prevents recombination of radiation-generated carriers and allows the collection of radiation-generated carriers. In one embodiment, the presence of the electric field at the p-n junction interface spatially separates electrons and positive carriers.

In einer Ausführungsform besteht der bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Verbundwerkstoff im Wesentlichen aus einem dreidimensionalen Hauptmassematerial, das die beiden Phasen organische Phase und die Teilchenphase enthält. In dieser Ausführungsform ist die organische Phase ein halbleitendes Polymer entweder des n-Typs oder des p-Typs. Die Teilchenphase ist eine Verbindung von Teilchen oder Verbundteilchen, die Halbleiter- und/oder Metallmaterialien mit komplementären elektrischen Eigenschaften gegenüber der organischen Phase enthält (d. h. wenn die organische Phase ein halbleitendes Polymer des n-Typs ist, ist die Teilchenphase ein Material des p-Typs; als Alternative ist die Teilchenphase vom n-Typ, wenn die organische Phase vom p-Typ ist). Ein Verfahren zur Herstellung des bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringenden Verbundwerkstoffs ist durch Oberflächenbehandlung der Teilchen der Teilchenphase und Beimischen des organischen Polymers und der oberflächenbehandelten Teilchen, um die bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Morphologie zu bilden.In one embodiment, the bicontinuous interpenetrating composite consists essentially of a three-dimensional bulk material containing the two phases, organic phase and the particle phase. In this embodiment, the organic phase is a semiconducting polymer of either n-type or p-type. The particulate phase is a compound of particles or composite particles containing semiconductor and / or metal materials having complementary electrical properties to the organic phase (ie, when the organic phase is an n-type semiconducting polymer, the particulate phase is a p-type material alternatively, the n-type particle phase is when the organic phase is p-type). One method of making the bicontinuous interpenetrating composite is by surface treatment of the particles of the particle phase and admixing of the organic polymer and the surface-treated particles to form the bicontinuous interpenetrating morphology.

In einer Ausführungsform ist die Teilchenphase ein kontinuierliches oder halbkontinuierliches Netz von Teilchen, das einen anorganischen Halbleiter und/oder Metallmaterial enthält. Beispiele umfassen Teilchen aus halbleitenden Polymeren (unten ausführlicher beschrieben), anorganische Materialien, Halbleitermaterialien und Metallmaterialien. Beispiele für anorganische Materialien umfassen Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumoxid und Mischungen davon. Beispiele für anorganische Halbleiter umfassen Silizium, Germanium und Mischungen davon, Titandioxid, Zinkoxid, Indiumzinnoxid, Antimonzinnoxid und Mischungen davon, 2-6-Halbleiter, die Verbindungen aus mindestens einem divalenten Metall (Zink, Cadmium, Quecksilber und Blei) und mindestens einem divalenten Nichtmetall (Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur) sind, wie etwa Zinkoxid, Cadmiumselenid, Cadmiumsulfid, Quecksilberselenid und Mischungen davon, 3-5-Halbleiter, die Verbindungen mindestens eines trivalenten Metalls (Aluminium, Gallium, Indium und. Thallium) mit mindestens einem trivalenten Nichtmetall (Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon) sind, wie etwa. Galliumarsenid, Indiumphosphid und Mischungen davon und Gruppe-4-Halbleiter, einschließlich wasserstoffterminiertes Silizium, Germanium und alpha-Zinn und Kombinationen davon.In one embodiment, the particle phase is a continuous or semi-continuous network of particles containing an inorganic semiconductor and / or metal material. Examples include particles of semiconducting polymers (described in more detail below), inorganic materials, semiconductor materials and metal materials. Examples of inorganic materials include alumina, zirconia, silica and mixtures thereof. Examples of inorganic semiconductors include silicon, germanium and mixtures thereof, titanium dioxide, zinc oxide, indium tin oxide, antimony tin oxide and mixtures thereof, 2-6 semiconductors containing compounds of at least one divalent metal (zinc, cadmium, mercury and lead) and at least one divalent nonmetal (Oxygen, sulfur, selenium and tellurium), such as zinc oxide, cadmium selenide, cadmium sulfide, mercury selenide and mixtures thereof, 3-5 semiconductors, are the compounds of at least one trivalent metal (aluminum, gallium, indium and thallium) with at least one trivalent one Non-metals (nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony) are, such as. Gallium arsenide, indium phosphide and mixtures thereof, and Group 4 semiconductors, including hydrogen-terminated silicon, germanium and alpha-tin, and combinations thereof.

Beispiele für Metallmaterialien umfassen Gold, Silber, Platinteilchen und Mischungen davon, Metallcluster wie Nickel, Palladium, Gold, Kupfer und Mischungen davon und suboxidierte Metalloxide wie etwa Ti-reiches Titanoxid, Zn-reiches Zinkoxid, Zr-reiches Zirkonoxid und Mischungen davon.Examples of metal materials include gold, silver, platinum particles and mixtures thereof, metal clusters such as nickel, palladium, gold, copper and mixtures thereof and suboxidized metal oxides such as Ti-rich titanium oxide, Zn-rich zinc oxide, Zr-rich zirconia and mixtures thereof.

Arten von Teilchen-Halbleitermaterialien ergeben sich durch Varianten, die (1) einzelne oder gemischte elementare Verbindungen, darunter Legierungen, Kern-/Schalenstrukturen, dotierte Teilchen und Kombinationen davon, (2) einzelne oder gemischte Formen und Größen und Kombinationen davon und (3) eine Einzelform von Kristallinität oder ein Bereich oder eine Mischung von Kristallinität und Kombinationen davon umfassen. Types of particulate semiconductor materials result from variants that include (1) single or mixed elemental compounds including alloys, core / shell structures, doped particles and combinations thereof, (2) single or mixed shapes and sizes, and combinations thereof, and (3) a single form of crystallinity or a portion or mixture of crystallinity and combinations thereof.

Vorzugsweise enthält die Teilchenphase eine Vielzahl von Teilchen mit verschiedenen Bandabständen. Der Bandabstand von Halbleitern kann durch Einschluss kleiner Mengen eines Elements, das eines der existierenden Elemente in der Struktur ersetzt, modifiziert werden, ohne die Kristallstruktur zu ändern. Beispiele umfassen das Ersetzen einer kleinen Menge von Aluminium in Aluminiumoxid mit Indium oder kleinen Mengen von Sauerstoff mit Stickstoff oder Schwefel in Titanoxiden. Es können auch Verbindungen von zwei Halbleitern mit ähnlichen Strukturen verwendet werden, werden, um den Bandabstand zu ändern, wie etwa Verbindungen von Zinksulfid und Cadmiumselenid oder Aluminiumoxid und Indiumoxid. Eine andere Art des Modifizierens des Bandabstands ist das Beschichten des Halbleiters mit einem anderen Material, wie etwa einem Metall, zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold; das Band des Halbleiters und des Metalls bewegt sich an der Grenzfläche zueinander, wodurch die Bandabstände an der Grenzfläche beeinflusst werden. Eine andere Art des Modifizierens des Bandabstands ist durch Mischen von dotierten und undotierten Gruppe-4-Halbleiterteilchen. Zum Beispiel umfassen Dotierungsstoffe des p-Typs für Silizium Bor, Aluminium und Gallium und Dotierungsstoffe des n-Typs für Silizium Phosphor, Arsen und Antimon.Preferably, the particle phase contains a plurality of particles with different band gaps. The band gap of semiconductors can be modified by including small amounts of an element replacing one of the existing elements in the structure without changing the crystal structure. Examples include replacing a small amount of aluminum in alumina with indium or small amounts of oxygen with nitrogen or sulfur in titanium oxides. Also, compounds of two semiconductors having similar structures can be used to change the band gap, such as compounds of zinc sulfide and cadmium selenide or alumina and indium oxide. Another way of modifying the bandgap is to coat the semiconductor with another material, such as a metal, for example, aluminum, copper, silver, or gold; the band of the semiconductor and the metal moves at the interface with each other, thereby affecting the band gaps at the interface. Another way of modifying the bandgap is by mixing doped and undoped Group 4 semiconductor particles. For example, p-type dopants for silicon include boron, aluminum, and gallium, and n-type dopants for silicon include phosphorus, arsenic, and antimony.

Beispiele für Teilchen, die als die Teilchenphase verwendet werden können, umfassen Halbleiter-Nanokristalle. Halbleiter-Nanokristalle sind seit vielen Jahren bekannt, und die Herstellung dieses Materials wird zum Beispiel in C. B. Murray, C. R. Kagan und M. G. Bawendi, Annu. Rev. Mater. Sci., 2000, 30, 545 ; C. B. Murray, D. J. Norris und M. G. Bawendi, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 8706 ; und J. E. Bowen Katari, V. L. Colvin und A. P. Alivisatos, J. Phys. Chem., 1994, 98, 4109 beschrieben. Ein besonderes Merkmal von Halbleiter-Nanokristallen besteht darin, dass ihr Bandabstand durch ihre Größe gesteuert werden kann. Halbleiter-Nanokristalle können als Mischungen mit einer Kern-Schalenstruktur gebildet werden; eine erste Zusammensetzung bildet den Kern (zum Beispiel CdSe), und dieser Kern wird durch eine Schale aus einer zweiten Zusammensetzung (zum Beispiel ZnS) umgeben. Die Herstellung dieser Materialien wird in M. A. Hines und P. Guyot-Sionnest, J. Phys. Chem., 1996, 100, 468 , beschrieben. Beispiele umfassen die Kern/-Schalenpaare CdSe/ZnS, CdSe/CdS, InAs/CdSe, InAs/InP, ZnS/CdSe, CdS/CdSe, CdSe/InAs und InP/As.Examples of particles that can be used as the particle phase include semiconductor nanocrystals. Semiconductor nanocrystals have been known for many years, and the production of this material is known, for example, in US Pat CB Murray, CR Kagan and MG Bawendi, Annu. Rev. Mater. Sci., 2000, 30, 545 ; CB Murray, DJ Norris and MG Bawendi, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 8706 ; and JE Bowen Katari, VL Colvin and AP Alivisatos, J. Phys. Chem., 1994, 98, 4109 described. A particular feature of semiconductor nanocrystals is that their bandgap can be controlled by their size. Semiconductor nanocrystals can be formed as mixtures with a core-shell structure; a first composition forms the core (for example, CdSe), and this core is surrounded by a shell of a second composition (for example, ZnS). The production of these materials is in MA Hines and P. Guyot-Sionnest, J. Phys. Chem., 1996, 100, 468 , described. Examples include the core / shell pairs CdSe / ZnS, CdSe / CdS, InAs / CdSe, InAs / InP, ZnS / CdSe, CdS / CdSe, CdSe / InAs and InP / As.

Halbleiter-Nanokristalle können mit Capping-Gruppen auf ihren Oberflächen gebildet werden. Capping-Gruppen sind Teile, die an der Oberfläche der Halbleiter-Nanokristalle angebracht sind, und sie werden während der Synthese kolloidaler Nanokristalle aufgenommen. In Form von Kolloiden sind sie leicht manipulierbar und können mit einem Lösungsmittel gemischt werden, darunter nichtpolare und polare organische Lösungsmittel wie etwa Alkane (zum Beispiel Hexan und Pentan), Ether (Diethylether und Tetrahydrofuran), Benzol, Toluol, Styrol, Dichlormethan, Styrol, Xylol, Dimethylformamid, Carbonate (Propylencarbonat), Dimethylsulfoxid und Mischungen davon. Die Capping-Gruppen sind ohne weiteres austauschbar, wie in Bruchez Jr., M., Moronne, M., Gin, P., Weiss, S. & Alivisatos, A. P. Science, 1998, 281, 2013–2016 ; und Chan, W. C. W. & Nie, S. Science, 1998, 281, 2016–2018 beschrieben wird.Semiconductor nanocrystals can be formed with capping groups on their surfaces. Capping groups are parts attached to the surface of the semiconductor nanocrystals and are taken up during the synthesis of colloidal nanocrystals. In the form of colloids they are easily manipulated and can be mixed with a solvent, including non-polar and polar organic solvents such as alkanes (for example hexane and pentane), ethers (diethyl ether and tetrahydrofuran), benzene, toluene, styrene, dichloromethane, styrene, Xylene, dimethylformamide, carbonates (propylene carbonate), dimethyl sulfoxide and mixtures thereof. The capping groups are readily interchangeable, as in Bruchez Jr., M., Moronne, M., Gin, P., Weiss, S. & Alivisatos, AP Science, 1998, 281, 2013-2016 ; and Chan, WCW & Nie, S. Science, 1998, 281, 2016-2018 is described.

Die Teilchenphase enthält vorzugsweise eine Vielzahl von Teilchen von 1 nm bis 5 Mikrometer Durchmesser. Zum Beispiel kann der Teilchendurchmesser von 1 nm bis 500 nm betragen oder der Teilchendurchmesser kann von 1 nm bis 100 nm betragen. Wenn die Vielzahl von Teilchen in der Teilchenphase einen Durchmesser von weniger als 100 nm aufweist und der Strahlungssammelverbundwerkstoff dünn ist, kann die interne Schattenbildung im Wesentlichen null sein, wodurch der Wirkungsgrad erhöht werden kann.The particle phase preferably contains a plurality of particles of 1 nm to 5 micrometers in diameter. For example, the particle diameter may be from 1 nm to 500 nm, or the particle diameter may be from 1 nm to 100 nm. If the plurality of particles in the particle phase has a diameter of less than 100 nm and the radiation collection composite is thin, the internal shadowing may be substantially zero, whereby the efficiency may be increased.

Es erfolgt eine Selbstorganisation oder Selbstzusammenstellung der Teilchen zu einer verbundenen Hauptmassephase. Die Herstellung der Teilchenphase unter Verwendung von Selbstorganisation wird gestützt auf die Auswahl eines Umfangs an Oberflächenbehandlung für die Teilchen, die Anziehungs- und Abstoßungskräfte aufeinander ausüben, und der organischen Phase. Eine „anziehende” oder „abstoßende” Kraft soll eine Oberflächenkraft bedeuten, die die zwei Phasen zu einer bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringender Morphologie isoliert. Die Selbstzusammenstellung der Teilchen wird durch Dispersionskräfte gesteuert, die durch die Hamaker-Konstante quantifiziert werden, wobei die Beschreibung der Hamaker-Konstante wie in dem US-Patent 7,387,851 beschrieben hierin durch Bezugnahme vollständig einbezogen wird. Der unbehandelte Teil der Oberfläche der Teilchen wird einander anziehend sein, und der behandelte Teil der Oberfläche der Teilchen wird von der organischen Phase angezogen, wodurch sich eine gesteuerte Ansammlung der anorganischen Teilchen und ein kontinuierliches oder halbkontinuierliches Netz von Teilchen ergibt.There is self-assembly or self-assembly of the particles into a linked bulk phase. The production of the particulate phase using self-assembly is based on the selection of a degree of surface treatment for the particles which attract and repel each other and the organic phase. An "attractive" or "repulsive" force is intended to mean a surface force that isolates the two phases into a bicontinuous interpenetrating morphology. The self-assembly of the particles is controlled by dispersion forces quantified by the Hamaker constant, the description of the Hamaker constant being as in U.S. Pat U.S. Patent 7,387,851 is fully incorporated herein by reference. The untreated portion of the surface of the particles will attract each other, and the treated portion of the surface of the particles will be attracted to the organic phase resulting in a controlled accumulation of the inorganic particles and a continuous or semi-continuous network of particles.

In einer anderen Ausführungsform können die Teilchen durch Oberflächenbehandlung kompatibler mit der organischen Phase gemacht werden. Beispiele für Oberflächenbehandlungsmittel umfassen Phenylenmittel, zum Beispiel Triphenylethoxysilan, Diphenyldiethoxysilan, Phenyltriethoxysilan, Triphenylzinnhydrid, Triphenylzinnhydroxid, Tetraphenylzinn, Hexaphenyldizinn und Mischungen davon. Diese Oberflächenbehandlungsmittel können die Bildung eines p-n-Übergangs erleichtern, und strukturell umfasst der p-n-Übergang das Reaktionsprodukt des Oberflächenbehandlungsmittels und der Vielzahl von Teilchen der Teilchenphase. Zum Beispiel kann der p-n-Übergang ein Phenylen umfassen, das gegenüber der Teilchenphase angeordnet ist (d. h. das Reaktionsprodukt des Phenylenmittels mit der Vielzahl von Teilchen der Teilchenphase oder anderen Phenylenmitteln zum effektiven Einkapseln von Teilchen der Teilchenphase). Das Oberflächenbehandlungsmittel kann die organische Phase und die Teilchenphase zumindest um Molekulardimensionen (ungefähr 0,1 nm bis 20 nm) trennen. Vorzugsweise sperrt die Oberflächenbehandlung Löcher-(Kationen-)Transport, und vorzugsweise bringt die Oberflächenbehandlung ein elektronenreiches Material, wie etwa ein Material mit Elektronen, die Π-konjugiert sind, auf der Oberfläche der Teilchen ein. In another embodiment, the particles may be made more compatible with the organic phase by surface treatment. Examples of surface treatment agents include phenylene agents, for example, triphenylethoxysilane, diphenyldiethoxysilane, phenyltriethoxysilane, triphenyltin hydride, triphenyltin hydroxide, tetraphenyltin, hexaphenylditin, and mixtures thereof. These surface treatment agents may facilitate the formation of a pn junction and, structurally, the pn junction comprises the reaction product of the surface treatment agent and the plurality of particles of the particle phase. For example, the pn junction may comprise a phenylene located opposite the particle phase (ie, the reaction product of the phenylene agent with the plurality of particles of the particle phase or other phenylene agents for effective encapsulation of particles of the particle phase). The surface treatment agent can separate the organic phase and the particle phase at least by molecular dimensions (about 0.1 nm to 20 nm). Preferably, the surface treatment blocks hole (cation) transport, and preferably, the surface treatment introduces an electron-rich material, such as a material with electrons that are Π-conjugated, to the surface of the particles.

Der Umfang an Oberflächenbehandlung der Teilchen, das heißt der mittlere Prozentsatz der Oberflächenbehandlung gegenüber einer Vielzahl von Teilchen kann im Bereich von etwa 20% bis etwa 80% liegen. Der Umfang an Oberflächenbehandlung der Teilchen kann 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75% oder 80% der Oberfläche betragen. Bei mindestens einem Teil der Teilchen wird nur ein Teil ihrer Oberflächen behandelt. Vorzugsweise weist mindestens ein Teil der Teilchen unbehandelte Oberflächen auf. Durch Bilden einer Mischung von Teilchen mit verschiedenem Umfang an Oberflächenbehandlung wird sich eine kontinuierliche Phase selbst organisieren. Vorzugsweise weist eine erste Vielzahl von Teilchen einen Umfang an Oberflächenbehandlung auf, der größer als eine zweite Vielzahl von Teilchen ist. Zum Beispiel kann die erste Vielzahl von Teilchen einen Umfang von Oberflächenbehandlung von 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75% oder 80% aufweisen, und die zweite Vielzahl kann einen Umfang an Oberflächenbehandlung von 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70% oder 75% aufweisen. Vorzugsweise weist die erste Vielzahl von Teilchen einen Umfang von Oberflächenbehandlung auf, der 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% oder 50% höher als die zweite Vielzahl von Teilchen ist.The amount of surface treatment of the particles, that is, the average percentage of surface treatment versus a plurality of particles, can range from about 20% to about 80%. The amount of surface treatment of the particles may be 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75% or 80% of the surface. For at least part of the particles, only part of their surfaces are treated. Preferably, at least a portion of the particles have untreated surfaces. By forming a mixture of particles of varying degrees of surface treatment, a continuous phase will self-organize. Preferably, a first plurality of particles has an amount of surface treatment that is greater than a second plurality of particles. For example, the first plurality of particles may have a surface finish of 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, or 80%, and the second plurality may have a surface finish of 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70% or 75%. Preferably, the first plurality of particles has an amount of surface treatment that is 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, or 50% higher than the second plurality of particles.

In einer Ausführungsform wird der bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Verbundwerkstoff durch Bilden einer Mischung aus flüssigem Monomer, einem Lösungsmittel und kolloidalen Halbleiternanokristallen mit anschließender Polymerisierung des Monomers hergestellt.In one embodiment, the bicontinuous interpenetrating composite is prepared by forming a mixture of liquid monomer, a solvent, and colloidal semiconductor nanocrystals, followed by polymerization of the monomer.

Die organische Phase enthält organische Halbleiter, unterschiedlich bezeichnete Π-konjugierte Polymere, leitende Polymere oder synthetische Metalle, die aufgrund von Π-Konjugation zwischen Kohlenstoffatomen entlang des Polymerrückrads naturgemäß halbleitend sind. Ihre Struktur enthält ein eindimensionales organisches Rückrad, das im Anschluss an n- oder p-Dotierung elektrische Leitung ermöglicht.The organic phase contains organic semiconductors, differently labeled Π-conjugated polymers, conducting polymers, or synthetic metals that are inherently semiconductive due to Π-conjugation between carbon atoms along the polymer back wheel. Its structure contains a one-dimensional organic backbone that allows electrical conduction following n- or p-doping.

Gut untersuchte Klassen organisch leitfähiger Polymere umfassen Poly(acetylen)e, Poly(pyrrol)e, Poly(thiophen)e, Polyaniline, Polythiophene, Poly(p-phenylsulfid), Poly(para-phenylvinylen)e, (PPV) und PPV-Derivate, Poly(3-alkylthiophene), Polyindol, Polypyren, Polycarbazol, Polyazulen, Polyazepin, Poly(fluorid)e und Polynaphthalen. Andere Beispiele umfassen Polyanilin, Polyanilinderivate, Polythiophen, Polythiophenderivate, Polypyrrol, Polypyrrolderivate, Polythianaphthen, Polythianaphthanderivate, Polyparaphenylen, Polyparaphenylenderivate, Polyacetylen, Polyacetylenderivate, Polydiacethylen, Polydiacethylenderivate, Polyparaphenylenvinylen, Polyparaphenylenvinylenderivate, Polynaphthalen und Polynaphthalenderivate, Polyisothianaphthen, Polyheteroarylenvinylen, worin die Heteroarylengruppe z. B. Thiophen, Furan oder Pyrrol, Polyphenylensulfid, Polyperinaphthalen, Polyphthalocyanin usw und ihre Derivate, Copolymere davon und Mischungen davon sein kann. Im vorliegenden Gebrauch bedeutet der Ausdruck Derivate, dass das Polymer aus mit Nebenketten oder -gruppen substituierten Monomeren hergestellt ist.Well studied classes of organically conductive polymers include poly (acetylene) s, poly (pyrrole) s, poly (thiophene) s, polyanilines, polythiophenes, poly (p-phenylsulfide), poly (para-phenylvinylene) s, (PPV), and PPV Derivatives, poly (3-alkylthiophene), polyindole, polypyrene, polycarbazole, polyazulen, polyazepine, poly (fluoride) s and polynaphthalene. Other examples include polyaniline, polyaniline derivatives, polythiophene, polythiophene derivatives, polypyrrole, polypyrrole derivatives, polythaphenylene derivatives, polythiophene derivatives, polyparaphenylene, polyparaphenylene derivatives, polyacetylene, polyacetylene derivatives, polydiacethylene, polydiacethylene derivatives, polyparaphenylenevinylene, polyparaphenylenevinylene derivatives, polynaphthalenes and polynaphthalene derivatives, polyisothianaphthene, polyheteroarylenevinylene wherein the heteroarylene group is e.g. Thiophene, furan or pyrrole, polyphenylene sulfide, polyperinaphthalene, polyphthalocyanine etc. and their derivatives, copolymers thereof and mixtures thereof. As used herein, the term derivatives means that the polymer is prepared from side chain or group substituted monomers.

Das Verfahren zum Polymerisieren der leitfähigen Polymere kann elektrolytische Oxidationspolymerisation, chemische Oxidationspolymerisation und katalytische Polymerisation umfassen. Das durch die Polymerisation des flüssigen Monomers erhaltene Polymer kann bis zur Dotierung neutral und/oder nicht leitfähig sein. Deshalb wird ein neutrales und/oder nichtleitfähiges Polymer p-Dotierung oder n-Dotierung unterzogen, um das leitfähige Polymer zu bilden. In einer anderen Ausführungsform kann das Halbleiterpolymer chemisch oder elektrochemisch dotiert werden. Die Dotierungsstoffe sind nicht besonders eingeschränkt; vorzugsweise wirkt sich der Dotierungsstoff nicht nachteilig auf die fotochemische und/oder chemische Stabilität der Teilchengebilde aus. Beispiele umfassen eine Substanz mit der Fähigkeit zum Akzeptieren eines Elektronenpaars, wie etwa eine Lewis-Säure. Dotierungsstoffe können zum Beispiel Salzsäure, Schwefelsäure, organische Schwefelsäurederivate wie Paraschwefelsäure, Polystyrolschwefelsäure, Alkylbenzolschwefelsäure, Campherschwefelsäure, Alkylschwefelsäure, Sulfosalicylsäure, andere Schwefelsäuren, Eisenchlorid, Kupferchlorid, Eisensulfat oder Mischungen davon sein.The method for polymerizing the conductive polymers may include electrolytic oxidation polymerization, chemical oxidation polymerization, and catalytic polymerization. The polymer obtained by the polymerization of the liquid monomer may be neutral and / or non-conductive until doped. Therefore, a neutral and / or nonconductive polymer is subjected to p-type doping or n-type doping to form the conductive polymer. In another embodiment, the semiconductor polymer may be doped chemically or electrochemically. The dopants are not particularly limited; Preferably, the dopant does not adversely affect the photochemical and / or chemical stability of the particle formations. Examples include a substance having the ability to accept an electron pair, such as a Lewis acid. Dopants may include, for example, hydrochloric acid, sulfuric acid, organic sulfuric acid derivatives such as parafichloric acid, polystyrene sulfuric acid, alkylbenzenesulfuric acid, camphor sulfuric acid, alkyl sulfuric acid, Sulfosalicylic acid, other sulfuric acids, iron chloride, copper chloride, iron sulfate or mixtures thereof.

Der organisch-teilchenartige Verbundwerkstoff kann als Flüssigkeit verarbeitet werden, wodurch die Herstellungsgeschwindigkeit erhöht und die Herstellungskosten verringert werden. Das Lichtsammelmaterial kann unter Verwendung bekannter Lösungsverarbeitungsverfahren verarbeitet werden, wie zum Beispiel durch Sprüh-, Vorhangbeschichtungs-, Tintenstrahl- und andere ähnliche Verfahren, wobei herkömmliche Filmverarbeitungsgeräte verwendet werden.The organic particulate composite can be processed as a liquid, thereby increasing the production rate and reducing the manufacturing cost. The light harvesting material can be processed using known solution processing techniques, such as spray, curtain coating, ink jet, and other similar processes using conventional film processing equipment.

Der Verbundwerkstoff wird vorzugsweise gebildet, indem zuerst eine Flüssigkeit gebildet wird, die die Teilchenphase und das Polymer in Lösung aufgelöst oder Monomere des Polymers in Lösung aufgelöst enthält. Es kann ein beliebiges Lösungsmittel verwendet werden, in dem sich das Polymer oder seine Monomere auflösen und die Teilchen verstreut werden. Beispiele für Lösungsmittel umfassen Wasser, Alkohole wie etwa Methanol, Ethanol, Propanol, Butanole, Glycerin, Acetonitil, Tetrahydrofuran, Dimethylformamid, N-Methylformamid, Glykole wie etwa Ethylenglykol, Propylenglykol, Carbonate, wie etwa Propylencarbonat, Dimethylsulfoxid und Mischungen davon. Wenn das Polymer standartmäßig durch Polymerisieren von Monomeren oder Vorpolymeren gebildet wird, kann ein beliebiges Lösungsmittel verwendet werden, in dem die verbleibenden Komponenten aufgelöst oder verstreut werden können. Beispiele umfassen die obenerwähnten Lösungsmittel sowie organische Lösungsmittel. Wenn das Polymer standartmäßig aus Monomeren gebildet wird, kann das Monomer selbst anstelle des Lösungsmittels oder mit einer kleinen Menge Lösungsmittel zur Steuerung der Viskosität verwendet werden, solange die verbleibenden Komponenten aufgelöst oder verstreut werden können.The composite is preferably formed by first forming a liquid which dissolves the particle phase and the polymer in solution or contains monomers of the polymer dissolved in solution. Any solvent may be used in which the polymer or its monomers dissolve and the particles are scattered. Examples of solvents include water, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanols, glycerine, acetonitrile, tetrahydrofuran, dimethylformamide, N-methylformamide, glycols such as ethylene glycol, propylene glycol, carbonates such as propylene carbonate, dimethyl sulfoxide and mixtures thereof. When the polymer is formed by polymerization of monomers or prepolymers by default, any solvent can be used in which the remaining components can be dissolved or scattered. Examples include the above-mentioned solvents as well as organic solvents. When the polymer is standardly formed from monomers, the monomer itself may be used in place of the solvent or with a small amount of solvent to control viscosity as long as the remaining components can be dissolved or scattered.

Es können auch Prozesshilfsmittel verwendet werden. Beispiele für Prozesshilfsmitteln umfassen Aktivkohle, kolloidale Metalle wie etwa kolloidales Gold, die Oberflächenbehandlungsmittel und Graphen. Diese leitfähigen Materialien werden naturgemäß zu den Grenzflächen wandern und dabei helfen, die Bildung von Defekten oder Strukturen zu verhindern, die Elektronen und/oder Löcher abfangen könnten, was den kontinuierlichen Netzen erlaubt die Elektronen und Löcher, während sie sich bilden, wegzuleiten.Process aids can also be used. Examples of processing aids include activated carbon, colloidal metals such as colloidal gold, surface treatment agents and graphene. These conductive materials will naturally migrate to the interfaces and help prevent the formation of defects or structures that could trap electrons and / or holes, allowing the continuous networks to conduct away the electrons and holes as they form.

In einer anderen Ausführungsform ist der bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Verbundwerkstoff eine aktive Schicht in einer Fotovoltaikvorrichtung. Die Fotovoltaikvorrichtung umfasst einen leitfähigen vorderen Kontakt und einen leitfähigen hinteren Kontakt mit dem dazwischen angeordneten bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringende Verbundwerkstoff. Um die Wanderung von fotoelektrischen Ladungen in dem bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringenden Verbundwerkstoff zu erleichtern, kann der bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Verbundwerkstoff zwischen einer Schicht des n-Typs und einer Schicht des p-Typs angeordnet werden, wobei entweder der leitfähige vordere oder hintere Kontakt die Schicht des n-Typs kontaktiert und der andere leitfähige Kontakt die Schicht des p-Typs kontaktiert.In another embodiment, the bicontinuous interpenetrating composite is an active layer in a photovoltaic device. The photovoltaic device includes a conductive front contact and a conductive rear contact with the bicontinuous interpenetrating composite disposed therebetween. To facilitate the migration of photoelectric charges in the bicontinuous interpenetrating composite, the bicontinuous interpenetrating composite may be sandwiched between an n-type layer and a p-type layer, with either the conductive front or back contact forming the layer of the n-type contacted and the other conductive contact contacted the p-type layer.

1 und 3 zeigen eine Fotovoltaikvorrichtung. Wie dargestellt, kann eine Fotovoltaikvorrichtung 16 eine optionale transparente Kunststoffbasis 2, eine Schicht der Teilchen auf der Basis vorzugsweise ohne Oberflächenbehandlung 4, auf der Schicht der Teilchen eine Absorberschicht, die den bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringende Verbundwerkstoff 6 umfasst und auf dem Verbundwerkstoff eine Schicht der organischen Phase 8 umfassen. Wenn er Licht ausgesetzt wird, kann der Verbundwerkstoff strahlungsgenerierte Ladungsträger bilden, die getrennt sind und separat entweder durch die organische Phase oder die Teilchenphase zu der Schicht aus der organischen Phase bzw. der Schicht aus Teilchen geleitet werden. Die Ladungsträger wandern dann über leitfähige Kontakte (einen vorderen Kontakt) 10, (einen hinteren Kontakt) 12 zu einer Vorrichtung 14. Die Vorrichtung kann Strom oder Spannung messen oder kann die Elektrizität speichern oder verwenden, um nützliche Arbeit zu verrichten. Vorzugsweise weisen die Teilchen, wenn sie dotiert sind, komplementäre elektrische Eigenschaften der organischen Phase auf. Optional können andere typischerweise in einer Fotovoltaikvorrichtung angetroffene Elemente aufgenommen werden. 1 and 3 show a photovoltaic device. As shown, a photovoltaic device 16 an optional transparent plastic base 2 , a layer of the particles on the basis preferably without surface treatment 4 on the layer of particles an absorber layer containing the bicontinuous interpenetrating composite 6 comprises and on the composite a layer of the organic phase 8th include. When exposed to light, the composite may form radiation-generated carriers that are separated and conducted separately through either the organic phase or the particle phase to the organic phase layer. The charge carriers then travel via conductive contacts (a front contact) 10 , (a back contact) 12 to a device 14 , The device can measure current or voltage or can store or use the electricity to do useful work. Preferably, when doped, the particles have complementary electrical properties of the organic phase. Optionally, other elements typically found in a photovoltaic device may be included.

Die vorliegende Erfindung kann den Fotovoltaikwirkungsgrad durch mehrere Mechanismen erhöhen. Einfallende Strahlung kann von beiden Phasen des Verbundwerkstoffs absorbiert werden, wobei die Teilchenphase eine Anzahl von chemischen Eigenschaften und Teilchengrößen enthält. Jede Komponente des Verbundwerkstoffs kann einen spezifischen Bandabstand aufweisen, aber der zusammengefügte Verbundwerkstoff weist eine Verteilung von Bandabständen auf, die darauf zugeschnitten werden kann, alle einfallende Strahlung voll zu absorbieren oder nahezu voll zu absorbieren. Praktisch kann eine Monoschicht-Solarzelle mit Dreifachübergang (oder höher) hergestellt werden. Fotoelektrische Netto-Umwandlungswirkungsgrade können wesentlich größer als herkömmliche planare Mehrfachübergangsvorrichtungen sein; dagegen betragen fotoelektrische Umwandlungswirkungsgrade von CIGS oder CdTe ungefähr 10% bis 12%. In einer Ausführungsform weist die vorliegende Erfindung fotoelektrische Umwandlungswirkungsgrade von 15% bis 40%, 20% bis 40% oder 25% bis 35% auf.The present invention can increase photovoltaic efficiency through several mechanisms. Incident radiation can be absorbed by both phases of the composite, with the particle phase containing a number of chemical properties and particle sizes. Each component of the composite may have a specific band gap, but the assembled composite has a distribution of band gaps that can be tailored to fully absorb or nearly fully absorb all incident radiation. In practice, a monolayer solar cell with triple junction (or higher) can be made. Net photoelectric conversion efficiencies can be significantly greater than conventional multiple-junction planar devices; however, photoelectric conversion efficiencies of CIGS or CdTe are about 10% to 12%. In one embodiment, the present invention photoelectric conversion efficiencies of 15% to 40%, 20% to 40% or 25% to 35%.

Die Verwendung von Zinkoxid als mindestens eine Komponente der Teilchenphase kann die Absorption von UV-Strahlung erhöhen. Nicht nur kann das Strahlungsabsorptionsspektrum auf höhere Frequenzen verlagert werden sondern durch Absorbieren von UVA-Strahlung in der Teilchenphase kann potentielle Beschädigung der organischen Phase vermindert werden und die Vorrichtungslebensdauer kann höher als entsprechende Vorrichtungen sein, die organische lichtabsorbierende Materialien enthalten.The use of zinc oxide as at least one component of the particle phase can increase the absorption of UV radiation. Not only can the radiation absorption spectrum be shifted to higher frequencies, but by absorbing UVA radiation in the particle phase, potential damage to the organic phase can be reduced and the device lifetime can be higher than corresponding devices containing organic light absorbing materials.

Die Grenzfläche in dem Verbundmaterial kann ein großes Verhältnis von dreidimensionalem Flächeninhalt zu Volumen aufweisen und als internes Streuelement wirken. Einfallende Strahlung kann durch Vorwärtsreflexion von den organisch-teilchenförmigen Grenzflächen in dem Verbundwerkstoff in diesen gestreut werden – wodurch die Weglänge des Materials effektiv vergrößert und möglicherweise ein größerer effektiver Strahlungsabsorptionsquerschnitt gewährleistet wird.The interface in the composite material can have a large ratio of three-dimensional surface area to volume and act as an internal scattering element. Incident radiation can be scattered by forward reflection from the organic-particulate interfaces in the composite material therein - effectively increasing the path length of the material and possibly providing a larger effective radiation absorption area.

Die bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Morphologie kann dreidimensionale Verbindungsfähigkeit – mechanisch und elektrisch – ermöglichen. Elektronen können von einer Phase fließen und positive Ladungsträger können von der anderen Phase fließen. Die dreidimensionale Verbindungsfähigkeit kann elektrische Verbindungen zu Vorrichtungsrändern ermöglichen und kann durch Oberflächenelektroden verursachte Schattierungseffekte verhindern, die den Wirkungsgrad der aktuellen Vorrichtungen verringern.The bicontinuous interpenetrating morphology can provide three-dimensional connectivity - mechanically and electrically. Electrons can flow from one phase and positive charge carriers can flow from the other phase. The three-dimensional connectivity can enable electrical connections to device edges and can prevent shading effects caused by surface electrodes that reduce the efficiency of current devices.

Die Grenzfläche in dem Verbundmaterial besitzt ein großes Verhältnis von dreidimensionalem Flächeninhalt zu Volumen und kann als p-n-Übergang wirken. Die räumliche Distanz zwischen zwei Grenzflächen innerhalb des bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringenden Materials ist klein, in der Größenordnung von 1 nm bis 1 Mikrometer, und Minderheitsladungsträger werden kurze Diffusionswege zu der Grenzfläche haben, wodurch möglicherweise die Wahrscheinlichkeit von Elektron-Loch-Rekombinationsfällen verringert und möglicherweise der fotovoltaische Wirkungsgrad vergrößert wird.The interface in the composite material has a large ratio of three-dimensional surface area to volume and can act as a p-n junction. The spatial distance between two interfaces within the bicontinuous interpenetrating material is small, on the order of 1 nm to 1 micrometer, and minority carriers will have short diffusion paths to the interface, possibly reducing the likelihood of electron-hole recombination events, and possibly Photovoltaic efficiency is increased.

BEISPIELEEXAMPLES

Beispiel 1example 1

Ein unter Verwendung von halbleitendem Polymer des p-Typs gebildeter Verbundwerkstoff: Ein organischer Halbleiter des p-Typs, Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) wird in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst.A composite formed using semiconductive p-type polymer: A p-type organic semiconductor, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) is dissolved in a suitable solvent.

Teilchen aus Antimonzinnoxid (ATO) mit 60 nm Durchmesser werden mit Phenyltriethoxysilan (PTES) oberflächenbehandelt, um zwei Arten von Material herzustellen. Das erste ist 30%-oberflächenbehandeltes (ATO-PTES-30) und das zweite ist 60%-oberflächenbehandeltes (ATO-PTES-60). Es werden zwei ähnliche Arten von Zinnoxid (TO) hergestellt: TO-PTES-30 und TO-PTES-60.60 nm diameter particles of antimony tin oxide (ATO) are surface treated with phenyltriethoxysilane (PTES) to produce two types of material. The first is 30% surface treated (ATO-PTES-30) and the second is 60% surface treated (ATO-PTES-60). Two similar types of tin oxide (TO) are manufactured: TO-PTES-30 and TO-PTES-60.

PEDOT wird mit Teilchenphase gemischt, um 4 Mischungen zu bilden. Die PEDOT-Mischungen wurden auf einem Kunststoffsubstrat unter Verwendung von auf Lösungsmittel basierender Technik des Doctor-Blading beschichtet (Tropfgießen, Aufschleuderbeschichten, Tintenstrahldrucken, Siebdrucken, Sprühen und andere auf Lösungsmittel basierende Beschichtungstechniken wären gleichermaßen akzeptabel).PEDOT is mixed with particle phase to form 4 mixtures. The PEDOT blends were coated on a plastic substrate using solvent-based doctor blading technique (drip, spin-on, inkjet, screen, spray, and other solvent-based coating techniques would be equally acceptable).

Es wurden bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Morphologien gebildet, während die Verhältnisse von PEDOT/Gesamtteilchen zwischen 40% und 60% variierten. Das Verhältnis des –60/–40-Teilchenverhältnisses ist 1, dieses Verhältnis kann aber variiert werden, um spezifische Vorrichtungseigenschaften zu ergeben. Das Verhältnis ATO/TO wird so gesteuert, dass sich die gewünschte elektrische Phasenleitfähigkeit ergibt.Bicontinuous interpenetrating morphologies were formed while ratios of PEDOT / total particles varied between 40% and 60%. The ratio of the -60 / -40 particle ratio is 1, but this ratio can be varied to give specific device properties. The ratio ATO / TO is controlled so as to give the desired electrical phase conductivity.

Beispiel 2Example 2

Ein unter Verwendung von halbleitendem Polymer des n-Typs gebildeter Verbundwerkstoff: Ein organischer Halbleiter des n-Typs, Poly(pyridin-2,5-diyl) (PPD) wird in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst.A composite formed using semiconducting n-type polymer: An n-type organic semiconductor, poly (pyridine-2,5-diyl) (PPD), is dissolved in a suitable solvent.

Teilchen aus Aluminiumoxid (AO) mit 60 nm Durchmesser werden mit Phenyltriethoxysilan (PTES) oberflächenbehandelt, um zwei Arten von Material herzustellen. Das erste ist 30%-oberflächenbehandeltes (AO-PTES-30) und das zweite ist 60%-oberflächenbehandeltes (AO-PTES-60).60 nm diameter alumina (AO) particles are surface treated with phenyltriethoxysilane (PTES) to produce two types of material. The first is 30% surface treated (AO-PTES-30) and the second is 60% surface-treated (AO-PTES-60).

PPD wird mit Teilchenphase gemischt, um 2 Mischungen zu bilden. Die PPD-Mischungen wurden auf einem Kunststoffsubstrat unter Verwendung der auf Lösungsmittel basierenden Technik Doctor-Blading beschichtet (Tropfgießen, Aufschleuderbeschichten, Tintenstrahldrucken, Siebdrucken, Sprühen und andere auf Lösungsmittel basierende Beschichtungstechniken wären gleichermaßen akzeptabel).PPD is mixed with particle phase to form 2 mixtures. The PPD blends were coated on a plastic substrate using the solvent-based Doctor Blading technique (drip, spin coat, ink jet, screen, spray, and other solvent based coating techniques would be equally acceptable).

Es wurden bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Morphologien gebildet, während die Verhältnisse von PPD/Gesamtteilchen zwischen 40% und 60% variierten. Das Verhältnis des –60/–40-Teilchenverhältnisses ist 1, dieses Verhältnis kann aber variiert werden, um spezifische Vorrichtungseigenschaften zu ergeben.Bicontinuous interpenetrating morphologies were formed while ratios of PPD / total particles varied between 40% and 60%. The ratio of the -60 / -40 particle ratio is 1, this ratio can but varied to give specific device characteristics.

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Claims (14)

Bikontinuierlicher, sich gegenseitig durchdringender Verbundwerkstoff, umfassend: eine halbleitende organische Phase; eine halbleitende Teilchenphase; und eine Vielzahl von p-n-Übergängen an Grenzflächen zwischen der halbleitenden organischen Phase und der halbleitenden Teilchenphase; wobei die halbleitende organische Phase und die halbleitende Teilchenphase sich gegenseitig durchdringenden und bikontinuierlich sind.A bicontinuous interpenetrating composite comprising: a semiconductive organic phase; a semiconducting particle phase; and a plurality of p-n junctions at interfaces between the semiconducting organic phase and the semiconducting particle phase; wherein the semiconductive organic phase and the semiconductive particle phase are interpenetrating and bicontinuous. Bikontinuierlicher, sich gegenseitig durchdringender Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, wobei die halbleitende organische Phase entweder ein organischer Halbleiter des p-Typs ist oder ein organischer Halbleiter des n-Typs ist.The bicontinuous interpenetrating composite of claim 1, wherein the semiconducting organic phase is either a p-type organic semiconductor or an n-type organic semiconductor. Bikontinuierlicher, sich gegenseitig durchdringender Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, wobei die halbleitende organische Phase ein organischer Halbleiter des p-Typs ist und die halbleitende Teilchenphase ein Teilchenhalbleiter des n-Typs ist.The bicontinuous interpenetrating composite of claim 2, wherein the semiconductive organic phase is a p-type organic semiconductor and the semiconductive particle phase is an n-type particle semiconductor. Bikontinuierlicher, sich gegenseitig durchdringender Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, wobei die halbleitende organische Phase ein organischer Halbleiter des n-Typs ist und die halbleitende Teilchenphase ein Teilchenhalbleiter des p-Typs ist.The bicontinuous interpenetrating composite of claim 2, wherein the semiconductive organic phase is an n-type organic semiconductor and the semiconductive particle phase is a p-type particle semiconductor. Bikontinuierlicher, sich gegenseitig durchdringender Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die p-n-Übergänge ein an die Teilchenphase gebundenes Phenylen umfassen.A bicontinuous interpenetrating composite according to any one of the preceding claims, wherein the p-n junctions comprise a phenylene bonded to the particle phase. Bikontinuierlicher, sich gegenseitig durchdringender Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein Prozesshilfsmittel umfasst.A bicontinuous interpenetrating composite according to any one of the preceding claims, further comprising a processing aid. Bikontinuierlicher, sich gegenseitig durchdringender Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die halbleitende Teilchenphase eine Vielzahl von Teilchen umfasst, die verschiedene Bandabstände aufweisen.A bicontinuous interpenetrating composite according to any one of the preceding claims, wherein the semiconductive particle phase comprises a plurality of particles having different band gaps. Bikontinuierlicher, sich gegenseitig durchdringender Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die halbleitende Teilchenphase eine Vielzahl von Teilchen umfasst, die einen Durchmesser von 1 nm bis 500 nm oder von 1 nm bis 100 nm aufweisen.A bicontinuous interpenetrating composite according to any one of the preceding claims, wherein the semiconducting particle phase comprises a plurality of particles having a diameter of 1 nm to 500 nm or of 1 nm to 100 nm. Bikontinuierlicher, sich gegenseitig durchdringender Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die halbleitende Teilchenphase eine erste Vielzahl von Teilchen und eine zweite Vielzahl von Teilchen umfasst, wobei die erste Vielzahl von Teilchen einen Umfang an Oberflächenbehandlung aufweist, der größer als die zweite Vielzahl von Teilchen ist.A bicontinuous interpenetrating composite according to any one of the preceding claims, wherein the semiconductive particle phase comprises a first plurality of particles and a second plurality of particles, wherein the first plurality of particles has an amount of surface treatment greater than the second plurality of particles , Fotovoltaikvorrichtung, umfassend: einen leitfähigen vorderen Kontakt einen leitfähigen hinteren Kontakt; und den bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringenden Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet zwischen dem vorderen Kontakt und dem hinteren Kontakt.Photovoltaic device comprising: a conductive front contact a conductive rear contact; and The bicontinuous interpenetrating composite of any one of the preceding claims is disposed between the front contact and the rear contact. Fotovoltaikvorrichtung nach Anspruch 10, ferner umfassend: eine Schicht des n-Typs und eine Schicht des p-Typs; wobei der bikontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Verbundwerkstoff zwischen der Schicht des n-Typs und der Schicht des p-Typs angeordnet ist.A photovoltaic device according to claim 10, further comprising: an n-type layer and a p-type layer; wherein the bicontinuous interpenetrating composite is disposed between the n-type layer and the p-type layer. Verfahren zur Herstellung des bikontinuierlichen sich gegenseitig durchdringenden Verbundwerkstoffs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Beimischen eines organischen Polymers, einer ersten Vielzahl von Teilchen und einer zweiten Vielzahl von Teilchen; wobei die erste Vielzahl von Teilchen einen Umfang an Oberflächenbehandlungen aufweist, der größer als die zweite Vielzahl von Teilchen ist.A method of making the bicontinuous interpenetrating composite according to any one of the preceding claims, comprising: Admixing an organic polymer, a first plurality of particles, and a second plurality of particles; wherein the first plurality of particles has an amount of surface treatments greater than the second plurality of particles. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Beimischen des organischen Polymers Beimischen der ersten Vielzahl von Teilchen und der zweiten Vielzahl von Teilchen zu einem flüssigen Monomer und dann Polymerisieren des Monomers umfasst.The method of claim 12, wherein admixing the organic polymer comprises admixing the first plurality of particles and the second plurality of particles to a liquid monomer and then polymerizing the monomer. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Beimischen des organischen Polymers Beimischen der ersten Vielzahl von Teilchen und der zweiten Vielzahl von Teilchen zu einem flüssigen Monomer, einem Lösungsmittel und einem Prozesshilfsmittel und dann Polymerisieren des Monomers umfasst.The method of claim 13, wherein admixing the organic polymer comprises admixing the first plurality of particles and the second plurality of particles to a liquid monomer, a solvent, and a processing aid, and then polymerizing the monomer.
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