專(zhuān)利名稱(chēng)：基于納米碳管的太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電裝置，該光電裝置的用途，該光電裝置與電路的組件以及利用該光電裝置由光發(fā)電的方法。
單晶太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25％。當(dāng)硅基晶體不是單晶而是多晶時(shí)，其最高轉(zhuǎn)換效率為大約18％，而無(wú)定型硅基太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率為大約12％。然而，硅基太陽(yáng)能電池造價(jià)相當(dāng)高，即使是無(wú)定型硅太陽(yáng)能電池也造價(jià)不菲。因此，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種基于有機(jī)化合物和/或基于有機(jī)與無(wú)機(jī)化合物混合物的太陽(yáng)能電池替代物，這類(lèi)基于有機(jī)與無(wú)機(jī)化合物混合物的太陽(yáng)能電池被稱(chēng)為復(fù)合太陽(yáng)能電池。有機(jī)太陽(yáng)能電池僅僅是基于有機(jī)化合物(即含碳化合物)，有時(shí)也稱(chēng)為塑料太陽(yáng)能電池。有機(jī)太陽(yáng)能電池與復(fù)合太陽(yáng)能電池的預(yù)期制造成本低，但其轉(zhuǎn)化效率似乎比無(wú)定型硅基太陽(yáng)能電池還低。由于具有內(nèi)在的優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)量輕、大面積制造時(shí)成本低、環(huán)境友好及可采用柔軟的基體進(jìn)行制作，因此有機(jī)裝置在提高能量轉(zhuǎn)化效率的情況下，應(yīng)可作為技術(shù)上及商業(yè)上可行的塑料太陽(yáng)能電池。近來(lái)，基于染料敏化的納米晶體二氧化鈦(多孔二氧化鈦)半導(dǎo)體與液體電解質(zhì)的太陽(yáng)能電池(該太陽(yáng)能電池可認(rèn)為是無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池與有機(jī)太陽(yáng)能電池的復(fù)合體)所取得的最新研究進(jìn)展表明基于這種材料的太陽(yáng)能電能可取得高的能量轉(zhuǎn)化率[B.O′Regan和M.Gratzel，Nature353(1991)737]。
人們對(duì)純有機(jī)太陽(yáng)能電池及其基本機(jī)理進(jìn)行了越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)研究。研究的一個(gè)焦點(diǎn)集中在各種特殊化合物材料，如共軛聚合物與所謂的富勒烯(C60)及其衍生物的共混物上。其主要原理詳見(jiàn)下列文獻(xiàn)Sariciftci等[Science 258，1474(1992)]，YU等[Science 270，1789(1995)]，Brabec等[Adv.Func.Mat.，11，15(2001)]。此外，

圖1也對(duì)這一原理作了圖解說(shuō)明。電子在共軛聚合物中被激發(fā)并被注入到富勒烯的導(dǎo)帶中。這一過(guò)程能確保電荷被有效分離。然而，主要由于在共混物中電荷傳送量不足，因此能量轉(zhuǎn)化率仍被限制在3％左右[Shaheen等人，Appl.Phys.Lett.78]。
納米碳管由于其獨(dú)特的構(gòu)造及電子特性成為近十年來(lái)眾多出版物所關(guān)注的焦點(diǎn)[Dresselhaus等，Academic Press，San Diego，ISBN 0-12-221820-5(1996)；Wilder等，Nature 391，59(1998)；Odom等，Nature391，62(1998)]?？蓪⒓{米碳管視為具有六方晶格結(jié)構(gòu)的石墨片圍成的無(wú)縫管狀結(jié)構(gòu)。這種材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)，顯示出金屬性能或半導(dǎo)體性能。此外，它們還為單壁管或多壁管形式，這兩種類(lèi)型的納米碳管均可成束。它們已被成功地應(yīng)用于構(gòu)造如單管場(chǎng)效應(yīng)晶體管[Tans等，Nature 393，49(1998)；Wind等，APL 80，3817(2002)]。近來(lái)，已有人提出一種將金屬性納米碳管與半導(dǎo)體性納米碳管分離的方法[Collins等，Science 292，706(2001)；Avouris等，WO 02/054505；Avouris等，美國(guó)專(zhuān)利6,423,583B1；Avouris等，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2002/0173083]。最近，據(jù)報(bào)導(dǎo)可將金屬性納米碳管與半導(dǎo)體性單壁納米碳管定量分離[Cattopadhyay等，JACS 125，3370(2003)]。但迄今為止，還沒(méi)有基于納米碳管的純有機(jī)太陽(yáng)能電池被提出或被實(shí)現(xiàn)。有文獻(xiàn)(如，Smalley等，WO 98/39250；Smalley等，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2002/0127162A1；Smalley等，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2002/0127169A1；Smalley等，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2002/0159943A1)提出了一種基于Grtzel型復(fù)合太陽(yáng)能電池原理[O’Regan與Grtzel，Nature 353，737(1991)]的太陽(yáng)能電池，但至今仍未實(shí)現(xiàn)。
使用可通過(guò)溶液聚合制備的聚合物的有機(jī)太陽(yáng)能電池為無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的低成本替代物，但其太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率僅能達(dá)到2.5％[Shaheen等，Appl.Phys.Lett.78(2001)]。而傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率通常為10％，更高級(jí)同時(shí)也更為昂貴的此類(lèi)產(chǎn)品的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)30％[Green等，Photovoltaics9，287(2001)]。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種光電裝置，這種光電裝置易于制備，成本低而且還具有高的能量轉(zhuǎn)化效率。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種光電裝置，所述光電裝置的能量轉(zhuǎn)化效率與無(wú)機(jī)光電裝置的轉(zhuǎn)化效率大致相當(dāng)。本發(fā)明的還一個(gè)目的是提供一種光電裝置，這種光電裝置結(jié)合了可塑且柔軟的有機(jī)裝置和高效的無(wú)機(jī)裝置的優(yōu)點(diǎn)。
所有這些目的都由一種包括納米碳管和至少一種作為空穴導(dǎo)體的有機(jī)化合物的組合物的光電裝置得以實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，所述光電裝置優(yōu)選還包括-位于所述納米碳管和至少一種空穴導(dǎo)體的組合物的一側(cè)的第一電極，所述第一電極具有第一功函數(shù)；和-位于所述納米碳管和至少一種空穴導(dǎo)體的組合物的另一側(cè)的第二電極，所述第二電極具有比所述第一功函數(shù)高的功函數(shù)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述至少一種空穴導(dǎo)體為共軛聚合物或至少兩種共軛聚合物的共混物。
在本文中所用的術(shù)語(yǔ)“共軛聚合物”是指具有交替的單鍵和雙鍵和/或三鍵的離域體系，即離域的π體系的聚合物。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述納米碳管為金屬性與半導(dǎo)體性納米碳管的混合物，優(yōu)選僅為半導(dǎo)體性納米碳管。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述納米碳管為多壁與單壁納米碳管的混合物，優(yōu)選僅為單壁納米碳管。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述納米碳管的孔徑為0.5-2nm。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述納米碳管成束排列或以單管形式排列，或?yàn)槭鵂钆c單管形式的混合物。優(yōu)選它們?yōu)閱胃募{米碳管。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述納米碳管的長(zhǎng)度為2-1000nm，優(yōu)選為50-1000nm，更優(yōu)選為100-500nm。
所述納米碳管的帶隙范圍優(yōu)選為大約0.5-大約1eV。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述至少一種空穴導(dǎo)體的帶隙范圍為大約1-3eV，優(yōu)選為大約1.5-2.5eV，更優(yōu)選為大約1.75-2.25eV。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述空穴導(dǎo)體選自帶隙高于1eV，而且π軌道的能量高于所述納米碳管的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)的能量的半導(dǎo)體性有機(jī)材料。
所述組合物優(yōu)選包含納米碳管和至少一種空穴導(dǎo)體的混合物。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述組合物為雙層體系，其中所述至少一種空穴導(dǎo)體位于其中一層而所述納米碳管位于另一層。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述組合物為多層體系，其中所述至少一種空穴導(dǎo)體與所述納米碳管交替位于不同的層中。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述納米碳管垂直生長(zhǎng)，優(yōu)選在其中一個(gè)電極上垂直生長(zhǎng)。
這種納米碳管的生長(zhǎng)方法已在如Li等人，1996，Science 274，1701中公開(kāi)，該文獻(xiàn)通過(guò)引用結(jié)合到本文中。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述垂直生長(zhǎng)的納米碳管嵌入空穴導(dǎo)體中。
本文中所用的“嵌入”與“被環(huán)繞(或包圍)”同義。
在一個(gè)實(shí)施方案中，空穴導(dǎo)體直接生長(zhǎng)于所述納米碳管上。這種生長(zhǎng)方法已在Dai，2001，Australian Journal ofChemistry，54，11中描述。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述在其上直接生長(zhǎng)空穴導(dǎo)體的納米碳管(“附生納米管(overgrown nanotubes)”)嵌入所述直接在其上生長(zhǎng)的相同空穴導(dǎo)體中，或嵌入不同的空穴導(dǎo)體或空穴導(dǎo)體的混合物中。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述附生納米碳管垂直生長(zhǎng)，優(yōu)選生長(zhǎng)在其中一個(gè)電極上。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述納米碳管水平排列，優(yōu)選排列在其中一個(gè)電極上。
所述排列方式已在例如Huag等人，2001，Science 291，630中公開(kāi)，該文獻(xiàn)通過(guò)引用結(jié)合到本文中。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述垂直生長(zhǎng)的納米碳管或所述水平排列的納米碳管還與上述納米碳管和至少一種空穴導(dǎo)體的混合物結(jié)合。
上句中所用的術(shù)語(yǔ)“結(jié)合”是指垂直生長(zhǎng)的納米碳管或水平排列的納米碳管與所述納米碳管和至少一種空穴導(dǎo)體的組合物一起存在于本發(fā)明的裝置中。所述裝置優(yōu)選包括兩個(gè)電極，在其間為納米碳管和至少一種空穴導(dǎo)體的混合物。前述納米碳管和至少一種空穴導(dǎo)體的混合物可在所述電極間形成松散相(bulk phase)。此外，所述一個(gè)或兩個(gè)電極上可水平排列或垂直生長(zhǎng)納米碳管。
在一個(gè)實(shí)施方案中，將富勒烯添加到納米碳管與至少一種空穴導(dǎo)體的混合物中，由此形成了一種富勒烯、納米碳管與至少一種空穴導(dǎo)體的摻混物。這種摻混物既可直接填充于上述的兩個(gè)電極間也可與上述在其中一個(gè)電極上垂直生長(zhǎng)或水平排列的納米碳管結(jié)合，上述垂直生長(zhǎng)和水平排列的納米碳管優(yōu)選相對(duì)于其中一個(gè)電極垂直生長(zhǎng)或水平排列。
在一個(gè)實(shí)施方案中，將富勒烯添加到至少一種空穴導(dǎo)體中，由此形成富勒烯與至少一種空穴導(dǎo)體的摻混物。這種摻混物可與在上述其中一個(gè)電極上垂直生長(zhǎng)或水平排列的納米碳管結(jié)合，上述垂直生長(zhǎng)和水平排列的納米碳管優(yōu)選相對(duì)于其中一個(gè)電極垂直生長(zhǎng)或水平排列。
在一個(gè)實(shí)施方案中，上述納米碳管與至少一種作為空穴導(dǎo)體的有機(jī)化合物的組合物包括一種納米碳管(即一種單管納米碳管)、或單管納米碳管的陣列，或納米碳管束或納米碳管束陣列和至少一種空穴導(dǎo)體的混合物。
在這種情況下，即所述組合物包含一種單管納米碳管、或單管納米碳管陣列，或納米碳管束或納米碳管束陣列和至少一種空穴導(dǎo)體的混合物陣列，因此所得的光電裝置也稱(chēng)為“納米光電裝置”或“納米太陽(yáng)能電池”。
優(yōu)選所述至少一種空穴導(dǎo)體或所述作為空穴導(dǎo)體的有機(jī)化合物(文中“空穴導(dǎo)體”和“作為空穴導(dǎo)體的有機(jī)化合物”可替換，二者具有相同的含義)選自聚甲基丙烯酸酯及其衍生物，如雙(二芳氨基)聯(lián)苯官能的甲基丙烯酸酯及其共聚物，聚苯胺及其衍生物，聚亞苯基及其衍生物，聚亞苯基亞乙烯基及其衍生物，如聚(2-甲氧基-5-(3’，7’-二甲基辛氧基)-1，4-亞苯基亞乙烯基(MDMO-PPV))，聚噻吩及其衍生物，三苯二胺衍生物與三甲氧基乙烯基甲硅烷的共聚物，聚(3，4-亞乙二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)，聚乙炔及其衍生物，聚對(duì)苯撐及其衍生物，聚吡咯及其衍生物，聚對(duì)苯硫醚及其衍生物，聚咔唑及其衍生物，聚異硫茚及其衍生物，聚1，6-庚二炔及其衍生物，聚喹啉及其衍生物。
歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)EP00111493.3(申請(qǐng)日為2000年5月29日)與EP01121179.4(申請(qǐng)日為2001年9月4日)公開(kāi)了可作為空穴導(dǎo)體的優(yōu)選化合物的其他實(shí)例。本文通過(guò)引用這兩個(gè)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)的內(nèi)容而將其結(jié)合到本文中。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的裝置是一種有機(jī)太陽(yáng)能電池。
所述第一和/或第二電極優(yōu)選為透明材料膜或?qū)印?br> 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述第一和/或第二電極優(yōu)選為金屬性或鍍金屬的電極。
本文中所用的“鍍金屬的”與“具有濺射涂布或蒸發(fā)沉積形成的半透明的金屬膜”同義。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述第一和/或第二電極是金屬性電極。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述第一和/或第二電極上涂覆有經(jīng)蒸發(fā)沉積形成的氟化物層或乙酸鹽層，如氟化鋰、氟化銫、乙酸鋰，或氟化物與乙酸鹽的混合物層。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述經(jīng)蒸發(fā)沉積形成的氟化物層或乙酸鹽層的厚度為0.1nm-15nm，優(yōu)選為0.1nm-2nm。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的裝置還包括固態(tài)無(wú)機(jī)晶體基體或玻璃狀基體，或金屬箔基體，優(yōu)選為不銹鋼箔基體，或預(yù)先涂布了所述第一或第二電極的聚合物基體。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的裝置還包括預(yù)先涂布了所述第一或第二電極的柔軟聚合物基體。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的光電裝置包括如下順序的組成，這些組成間可穿插有中間層，但優(yōu)選它們彼此相鄰排列具有第一功函數(shù)的金屬電極；納米碳管和空穴導(dǎo)體陣列；具有第二功函數(shù)的第二電極，所述第二功函數(shù)比第一功函數(shù)大且該電極優(yōu)選為透明的電極。
本文中所用的“納米碳管和空穴導(dǎo)體陣列”是指任何納米碳管和空穴導(dǎo)體的排列。這些納米碳管和空穴導(dǎo)體可例如簡(jiǎn)單混合在一起并形成電極間的松散相；或者它們可位于分離的層，納米碳管位于一層而空穴導(dǎo)體位于另一層；或者它們?cè)诙鄬咏Y(jié)構(gòu)中位于交替的層中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到其它的排列方式。如在多層排列中，納米碳管可能分布在多個(gè)層中，但各層中納米碳管含量不同。上述特點(diǎn)也同樣適用于空穴導(dǎo)體。
本發(fā)明的目的還可通過(guò)將本發(fā)明的裝置與電路結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中本發(fā)明的裝置起到內(nèi)部電源的作用。
在一個(gè)實(shí)施方案中，內(nèi)部電源具有納米級(jí)的尺寸，優(yōu)選為10nm-1000nm，更優(yōu)選為100nm-1000nm，還更優(yōu)選為250nm-750nm。
本發(fā)明的目的還通過(guò)將本發(fā)明的裝置用作太陽(yáng)能電池來(lái)實(shí)現(xiàn)。
此外，本發(fā)明的目的還通過(guò)一種將光能轉(zhuǎn)化成電能的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法的特征為，本發(fā)明的裝置被光照射后，光激發(fā)電荷分離，隨后電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，由此從所述裝置中獲得電流。
文中所提到的“空穴導(dǎo)體”是指任何能容納空穴的化合物或組合物，這些空穴可在化合物或組合物中起導(dǎo)電功能。這類(lèi)“空穴導(dǎo)體”有時(shí)也可稱(chēng)為“空穴受體”或“空穴受體/導(dǎo)體”。如果它是一種“有機(jī)空穴導(dǎo)體”，則表示這種化合物或組合物在性質(zhì)上是一種有機(jī)物。術(shù)語(yǔ)“有機(jī)物/有機(jī)”一詞取其常用意，與無(wú)機(jī)材料(即不是基于碳或含碳化合物的材料)相區(qū)別。
特別的，本文所用的術(shù)語(yǔ)“有機(jī)物/有機(jī)”取其常用意，即指含碳化合物。在本文中使用時(shí)也包括單質(zhì)碳，至少是以富勒烯的形式存在的單質(zhì)碳。術(shù)語(yǔ)“有機(jī)物/有機(jī)”不包含特殊的含碳化合物，如不含氫的碳的硫?qū)倩铮鏑O、CO2、CS2及其衍生物如H2CO3、KSCN；也不包括鹽類(lèi)碳化物(salt-like carbides，元素與碳形成的二元化合物)，這種鹽類(lèi)碳化物在水或稀酸作用下會(huì)分解為碳?xì)浠衔?。這種鹽類(lèi)碳化物的通式為MI2C2或MIIC2，其中MI或MII為1價(jià)或2價(jià)金屬離子。鋁的鹽類(lèi)碳化物(Al4C3)可分解為甲烷。此外，本文使用的術(shù)語(yǔ)“有機(jī)物”也不包括金屬碳化物的含碳化合物，它們是非化學(xué)計(jì)量的化合物，具有合金性質(zhì)并且具有耐酸性和導(dǎo)電性。本文使用的術(shù)語(yǔ)“有機(jī)物”也不包括羰基金屬，在這種羰基金屬中一氧化碳分子與金屬原子配位結(jié)合，如羰基鐵(Fe2(Co)9、Fe3(Co)12)、羰基鉻(Cr(Co)6)、羰基鈷(Co2(CO)8)和羰基鎳(Ni(CO)4)等。
本文使用的術(shù)語(yǔ)“無(wú)機(jī)物”是指除上述定義的“有機(jī)物”外的化合物。
術(shù)語(yǔ)“單管納米碳管”和“納米碳管束”或簡(jiǎn)稱(chēng)“單管”和“束”均取其通用詞意。單管(“單管”)指分開(kāi)的、以單根管形式存在的納米碳管，而“束”是指多根管壁相互接觸、并且它們的縱軸大致平行排列的納米碳管陣列。
本發(fā)明提供了一種電子與空穴受體的網(wǎng)絡(luò)(同樣也可稱(chēng)為空穴-電子給體網(wǎng)絡(luò))，該網(wǎng)絡(luò)同時(shí)具有從給體到受體的優(yōu)良電荷載體轉(zhuǎn)移性能和在網(wǎng)絡(luò)各成分中優(yōu)良的電荷載體流動(dòng)性。
此外，本發(fā)明還提供了一種能對(duì)可見(jiàn)光區(qū)或近紅外區(qū)的光進(jìn)行更有效吸收的裝置，這種有效吸收性能使本發(fā)明的裝置明顯區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的此類(lèi)裝置(如基于富勒烯的有機(jī)太陽(yáng)能電池)。雖然不受任何理論的約束，但認(rèn)為現(xiàn)有技術(shù)的裝置的吸收光譜主要集中在可見(jiàn)光的較短波長(zhǎng)區(qū)域，因此其能量轉(zhuǎn)化率便會(huì)較低。
本發(fā)明人提出了一種結(jié)合了納米碳管與有機(jī)空穴導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)的光電裝置。所述裝置為現(xiàn)有同類(lèi)光電裝置的低成本替代物。此外，可能是由于載流子能夠在納米碳管中更有效地移動(dòng)，這種光電裝置已克服了基于富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池的諸多局限。此外，納米碳管對(duì)光有良好的吸收特性，因此利用納米碳管可對(duì)多種常用的光源(包括太陽(yáng)光)進(jìn)行充分吸收利用。
不希望受到任何具體理論的約束，本發(fā)明人認(rèn)為本發(fā)明的作用機(jī)理如下光可激發(fā)有機(jī)空穴受體/導(dǎo)體(在多數(shù)情況下為共軛聚合物)中的電子，或激發(fā)納米碳管中的電子(如圖2所示)。在第一種情況下，被光激發(fā)的電子轉(zhuǎn)移到納米碳管的導(dǎo)帶中。在這種情況下，納米碳管起到電子受體和導(dǎo)體的作用，而在有機(jī)空穴受體/導(dǎo)體的價(jià)帶中產(chǎn)生由于光照而形成的空穴。被有效分離的電荷-載體向電極(如果存在)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致產(chǎn)生了光電性能。如果光激發(fā)納米碳管中的電子，則被光激發(fā)的空穴轉(zhuǎn)移到有機(jī)空穴受體/導(dǎo)體，同樣也會(huì)產(chǎn)生光電性能。通過(guò)調(diào)節(jié)納米碳管的帶隙(通常為0.5-約1eV)和有機(jī)空穴受體/導(dǎo)體的帶隙(如共軛聚合物，通常為約2eV)，可確保通過(guò)有機(jī)空穴受體/導(dǎo)體或通過(guò)納米碳管對(duì)光的有效吸收，而不受輻射光源的影響。光源可以是太陽(yáng)光也可以是波長(zhǎng)通常較長(zhǎng)的室內(nèi)光源。
現(xiàn)請(qǐng)參照附圖描述的實(shí)施例，其中
圖1為現(xiàn)有技術(shù)的基于富勒烯的太陽(yáng)能電池的能帶原理示意圖及其不同的激發(fā)方法。
圖2為本發(fā)明基于納米碳管的光電裝置的能帶原理示意圖及其不同的激發(fā)方法。
更具體地講，在圖1中短波長(zhǎng)的光將聚合物激發(fā)(垂直箭頭所示)，然后電子被轉(zhuǎn)移到富勒烯的LUMO軌道(最低空分子軌道)上發(fā)生電荷載體分離?？昭ê碗娮臃謩e在FTO和鋁電極上聚集。其中電子的移動(dòng)須憑借躍遷傳送機(jī)理(hopping transport mechanism)完成。長(zhǎng)波長(zhǎng)的光不被吸收。
在圖2所示的本發(fā)明裝置的一個(gè)實(shí)施方案中，短波長(zhǎng)的光將聚合物激發(fā)(垂直箭頭，實(shí)線(xiàn)表示)，然后電荷被轉(zhuǎn)移到富勒烯的最低空分子軌道(彎曲箭頭，實(shí)線(xiàn)表示)而發(fā)生電荷載體分離。長(zhǎng)波長(zhǎng)的光被納米碳管吸收(垂直箭頭，虛線(xiàn)表示)?？昭ㄗ⑷刖酆衔锏摩熊壍缹?dǎo)致有效的電荷分離(彎曲箭頭，虛線(xiàn)表示)。空穴和電子分別在FTO和鋁電極上聚集。
說(shuō)明書(shū)，權(quán)利要求書(shū)和/或附圖中所公開(kāi)的本發(fā)明的特征將以獨(dú)立及以相互結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種光電裝置，所述裝置包含納米碳管和至少一種作為空穴導(dǎo)體的有機(jī)化合物的組合物。
2.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述裝置還包含-位于所述納米碳管和至少一種空穴導(dǎo)體的組合物的一側(cè)的第一電極，所述第一電極具有第一功函數(shù)；和-位于所述納米碳管和至少一種空穴導(dǎo)體的組合物的另一側(cè)的第二電極，所述第二電極具有比所述第一功函數(shù)高的功函數(shù)。
3.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述至少一種空穴導(dǎo)體是共軛聚合物或至少兩種共軛聚合物的共混物。
4.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述納米碳管是金屬性納米碳管與半導(dǎo)體性納米碳管的混合物，優(yōu)選僅為半導(dǎo)體性納米碳管。
5.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述納米碳管是單壁納米碳管與多壁納米碳管的混合物，優(yōu)選僅為單壁納米碳管。
6.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述納米碳管的直徑為0.5-2nm。
7.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述納米碳管的帶隙為約0.5-約1.0eV。
8.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述至少一種空穴導(dǎo)體的帶隙為約1-3eV，優(yōu)選為約1.5-2.5eV，更優(yōu)選為約1.75-2.25eV。
9.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述空穴導(dǎo)體選自帶隙高于1eV，而且π軌道的能量高于所述納米碳管的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)的能量的半導(dǎo)體性有機(jī)材料。
10.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述納米碳管及至少一種有機(jī)空穴導(dǎo)體的組合物包含納米碳管及至少一種空穴導(dǎo)體的混合物。
11.權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述組合物為雙層體系，其中所述至少一種空穴導(dǎo)體位于其中一層而所述納米碳管位于另一層。
12.權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述組合物為多層體系，其中所述至少一種空穴導(dǎo)體與所述納米碳管位于交替層中。
13.權(quán)利要求2-12中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述納米碳管垂直生長(zhǎng)，優(yōu)選在其中一個(gè)電極上垂直生長(zhǎng)。
14.權(quán)利要求2-13中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述空穴導(dǎo)體直接在所述納米碳管上生長(zhǎng)(“附生納米管”)。
15.權(quán)利要求2-12和14中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述納米碳管水平排列，優(yōu)選在其中一個(gè)電極上水平排列。
16.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述至少一種空穴導(dǎo)體選自聚甲基丙烯酸酯及其衍生物，如雙(二芳氨基)聯(lián)苯官能的甲基丙烯酸酯及其共聚物，聚苯胺及其衍生物，聚亞苯基及其衍生物，聚亞苯基亞乙烯基及其衍生物，如聚(2-甲氧基-5-(3’，7’-二甲基辛氧基)-1，4-亞苯基亞乙烯基(MDMO-PPV))，聚噻吩及其衍生物，三苯二胺衍生物與三甲氧基乙烯基甲硅烷的共聚物，聚(3，4-亞乙二氧基噻吩聚苯乙烯磺酸)(PEDOTPSS)，聚乙炔及其衍生物，聚對(duì)苯撐及其衍生物，聚吡咯及其衍生物，聚對(duì)苯硫醚及其衍生物，聚咔唑及其衍生物，聚異硫茚及其衍生物，聚1，6-庚二炔及其衍生物，和聚喹啉及其衍生物。
17.權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述裝置是有機(jī)太陽(yáng)能電池。
18.權(quán)利要求2-17中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述第一和/或第二電極為透明材料膜或?qū)印?br> 19.權(quán)利要求2-18中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述第一或第二電極為金屬性電極。
20.權(quán)利要求2-19中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述第一和/或第二電極上涂覆有經(jīng)蒸發(fā)沉積形成的氟化物層或乙酸鹽層，如氟化鋰、氟化銫、乙酸鋰，或氟化物與乙酸鹽的混合物層。
21.權(quán)利要求18-20中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述裝置還包括固態(tài)無(wú)機(jī)晶體基體或玻璃狀基體，或金屬箔基體，優(yōu)選為不銹鋼箔基體，或預(yù)先涂布了所述第一或第二電極的聚合物基體。
22.權(quán)利要求18-20中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述裝置還包括預(yù)先涂布了所述第一或第二電極的柔軟聚合物基體。
23.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置與電路的組件，其中上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置起到內(nèi)部電源的作用。
24.權(quán)利要求1-22中任一項(xiàng)的裝置作為太陽(yáng)能電池的應(yīng)用。
25.一種利用光發(fā)電的方法，其特征在于使權(quán)利要求1-22中任一項(xiàng)的裝置或權(quán)利要求23的組件進(jìn)行光照射，通過(guò)光激發(fā)電荷分離，隨后電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，由此從所述裝置或組件中獲得電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光電裝置，該光電裝置的用途，該光電裝置與電路的組件以及利用該光電裝置由光發(fā)電的方法。
文檔編號(hào)H01L51/46GK1868075SQ200480029609
公開(kāi)日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2004年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月14日
發(fā)明者M·迪爾, G·內(nèi)勒斯, 安田章夫 申請(qǐng)人:索尼德國(guó)有限責(zé)任公司