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 PDFInfo
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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
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
Die Verwendung von organisch-anorganischen Verbundwerkstoffen in Fotovoltaikvorrichtungen ist bekannt. Die
Das
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
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
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
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
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
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
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.
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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