用于改变其中的反应物质传输的能量转化装置和方法包括介电常数分级的结构（例如区、层）的使用。例如，在光子能转化装置（例如太阳能电池）或化学能转化装置（例如燃料电池）中，提供介电常数梯度的一个或多个非电结构被定位在电池中以改变光生或化学反应产生的物质的传输的方向和／或速率。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请的
涉及用于改善电子、空穴、离子、激子和原子团电荷或能量中的一个或多个通过例如光能转化电池装置(例如光伏电池)或化学能转化电池(例如燃料电池)之类的能量转化电池的传输的装置和方法。本申请的
也涉及本质上抑制光子能转化电池中的激子传输的装置和方法。盤一般来说，能量转化电池装置需要若干步骤以将例如光或化学反应的能量转化成电能。例如，在太阳能电池中，第一步骤包括电子机制，籍此光子将电子激发至更高、更高能的能级，留下如今空的能级或状态。光激发电子和空能量状态(被称为空穴)两者必须迁移至不同的聚集位置(例如阳极和阴极)。在太阳能电池装置中，电子和空穴的不同聚集位置成为负极和正极触头。在一些情形下，电子和空穴在分离和聚集前作为激子一起移动。寻求节约成本的太阳能发电已促成研究以寻找将可见光光子转化成受激电荷的不昂贵材料，该受激电荷能将吸收的能量传输至电触头。迄今为止，对昂贵的高品质硅的许多可能的不昂贵替代物具有极低劣的传输。这种低劣的传输抑制了这些不昂贵材料在光能转化电池中的应用。在高质量单晶硅太阳电池中，电子和空穴具有大的扩散系数和长的寿命(即光子激发的载流子与空穴重新结合的时间，重新结合通常导致发热和未实现贡献聚集电荷)。单晶硅具有超过100cm2/V-s的电子迁移率。对于非晶硅和单晶硅来说，光生的少数载流子的寿命足以分别导致小于约0. 5微米和大于100微米的扩散长度。这些扩散长度粗略地反映光生的载流子对太阳能电池的触头区充电而移动的距离。由于非晶硅光伏(例如太阳能)电池通常大于2微米厚，因此许多光生载流子(例如电子、空穴、离子、激子和原子团电荷或能量)可能在聚集前重新结合。可以减少重新结合问题。然而，通过使用电场来辅助载流子聚集会导致可用光生功率的损失(由于降低的开路电压)。—般来说，电场辅助的聚集需要分级的电气特性(即掺杂物浓度梯度)和/或强力绝缘的太阳能电池吸收层。在非晶硅太阳能电池的情形下，与辅助电场结合地使用绝缘吸收材料。在单晶硅太阳能电池中，经常在电极附近使用掺杂物梯度以协助载流子聚集和减少重新结合。最近，利用低成本固体(例如塑料或聚合物)和/或液体接界太阳能电池的前景已出现作为一种重要的可替代能量前景。尤其感兴趣的是一种颜料敏化的太阳能电池(一种类型的液体接界太阳能电池)，因为它包含极为低成本的材料。遗憾的是，固体结太阳能电池和液体接界太阳能电池两者均受到光生电荷的低劣传输的影响。例如，用于固体型太阳能电池的下列材料具有下列迁移率值基于寡聚噻吩的材料具有低于0. 03cm2/V-s的迁移率，酞菁(phthalocyines)具有低于0. 01cm2/V_s的迁移率，并五苯具有低于0. 62cm2/V_s 的迁移率，C6°具有低于0. 08cm2/V-s的迁移率值，而二萘嵌苯-二酰亚氨具有低于大约1. 5x10-5cm2/V-s的迁移率。一般来说，离子电荷扩散在水溶液中，其扩散常数在10-5cm2/S范围， 与在l(T4Cm7V-S范围的迁移率一致。由于这些低迁移率的结果，这些材料传输光生电荷载流子的能力很差，因此大部分的可用电压必须用于辅助聚集，由此减小外部发电的可用电压。专利技术概述一般来说，本申请描述的技术涉及改变或调整能量转化电池(例如光子能转化电池或化学能转化电池)内的物质的传输。在一个实施例中，该技术涉及提高(例如增加)例如光伏电池和燃料电池之类的能量转化电池中的电子、空穴、离子、激子和基于原子团的电荷或能量中的一个或多个的传输，这是通过向能量转化装置提供调整的(例如分级的)介电区以辅助从能量交换区(例如光伏电池内的光子吸收体)至聚集区(例如阳极或阴极) 的传输来实现的。在另一实施例中，这项技术涉及抑制光子能量转化电池中的激子传输，这是通过包括调整的(例如分级的)介电区以实质上抑制激子从能量交换区(例如光子吸收区)至聚集区的传输来实现的。本申请的这项技术也涉及非电场结构(例如绝缘结构)，该非电场结构增进(或在一些应用中降低)速度并帮助控制已带电荷和未带电荷的光生能或化学生能载流子的运动的方向。光生能和化学生能载流子包括例如电子、空穴、离子的已带电荷的物质，以及包含激子、基于原子团的能量或电荷(例如激发的原子和分子)的未带电荷的物质。非电场结构，例如介电常数分级的区，可用来提高太阳能电池性能并也能应用于提高燃料电池内的速度或速率(催化)化学反应。另外，在一些实施例中，非电场结构可用来实质上抑制不想要的光生物质(例如激子)的移动(即传输)。一般来说，非电场结构由至少一个梯度改变的或变化的要素构成(例如这里包括单阶函数改变或渐进的多阶或波改变)，这牵涉到与一种或多种传输物质相互作用的介电常数。尽管不希望受理论约束，然而相信分级的介电结构改变(例如基于位置和极性方向促进或抑制)电子、空穴、离子、激子和基于原子团的电荷或能量传输中的一个或多个。一般来说，在一个方面，这项技术涉及其中传输被改善的能量转化装置。该能量转化装置包括阴极；第一传输区；能量交换区；介电区；第二传输区以及阳极，其中介电区被调整以沿朝向阳极或阴极中的一个的传输方向提供分级值的介电常数以提高电子、空穴、 离子、激子和基于原子团的电荷或能量中的一个或多个的传输。在一些实施例中，能量转化装置是光能转化装置，由此能量交换区是光子吸收区，在光子吸收区内光子由一种材料接受，该材料响应地产生光生物质，例如电子、空穴、激子、离子或基于原子团的能量或电荷。 在其它实施例中，能量转化装置是例如燃料电池的化学能转化装置，其中化学反应发生在能量交换区，该能量交换区产生拟传输的物质(例如电子、空穴、激子、离子或基于原子团的能量或电荷)。这项技术的这个方面的实施例包括下面特征中的一个或多个。在一些实施例中， 能量交换区被设置在第一传输区的至少一部分内。介电区可位于能量交换区和第二传输区之间的界面。在一些实施例中，介电区包括构造成沿传输方向提供分级值的介电常数的结构。也就是说，在一些实施例中，介电区由沉积例如多个凸起或凸脊的结构的介电材料形成。这种结构形状形成介电区内的介电常数的梯度。在一些实施例中，介电区包括设置在基质(例如水)中的一种或多种介电材料的多个微粒。为了形成介电常数梯度的进一步调整，在一些实施例中，多个微粒的浓度是贯穿介电区单调变化的。在一些实施例中，介电常数梯度是通过改变设置在基质中的多个微粒的尺寸来调整的。在一些实施例中，介电区是一介电材料层，其中改变介电材料的成份以形成介电常数的梯度。根据这个方面的能量转化电池可以是光子能转化电池，例如光伏电池，尤其是固体结或液体接界太阳能电池。光伏电池的一些实施例进一步包括用于增强光子吸收的光谱修正区。光谱修正区包括具有第一折射率的复合薄膜以及具有与第一折射率不同的第二折射率的基质材料。光谱修正区的复合薄膜被设置在基质上并包括发光材料和微米尺寸的硅微粒。在其它实施例中，根据这项技术的能量转化电池是例如燃料电池的化学能转化电池。在该实施例中，例如电子、离子、 激子和基于原子团的电荷或能量的一种或多种反应物质通过第一传输区朝向阴极传输，其中反应物质充当阴极中的反应的催化剂。在一些实施例中，调整介电区以在很小的长度尺度上施加介电常数梯度，从而影响单个反应物质的传输。例如本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种具有电子、空穴、离子、激子和基于原子团的电荷或能量中的一个或多个的改善的传输的能量转化电池，所述转化电池包括：阴极；第一传输区；能量交换区；介电区；第二传输区；以及阳极；其中调整所述介电区以沿朝向所述阳极或阴极中的一个的传输方向提供分级值的介电常数，从而改善电子、空穴、离子、激子和基于原子团的电荷或能量中的一个或多个的传输。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：C·M·福特曼，
申请(专利权)人：纽约州立大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：US
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