熱電裝置及其應用的製作方法
2023-12-09 19:51:11
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根據35U.S.C.§119(e)，本申請要求於2010年10月18日提交的美國臨時專利申請序列號61/394,293的優先權，其全部內容通過參考併入本文。
技術領域
本發明涉及熱電物質(電熱物質)並且，具體地，涉及結合熱電物質的裝置(電熱物質的裝置)。
背景技術：
熱能在發電中廣泛使用。然而，通過目前的方法將熱能轉變為電能的效率較低，範圍從約30％至40％。因此，大量的熱能以廢物形式逸入環境中。估計在每年全球的電力生產中約15太瓦的能量流失到環境中。
熱電物質能夠捕獲熱量用於另外的電力產生。熱電效率由優值，ZT來定量。
顯示較高ZT值的熱電物質具有較高的熱電效率。製造具有適當的ZT值的熱電物質經常是困難的和/或昂貴的。例如，鉍硫族化合物提供具有0.7至1.0範圍的ZT值的優異的熱電性質。這些物質可以被納米結構化以產生交替的Bi2Te3和Bi2Se3層的超點陣結構，產生具有可接受的電導率和較弱的熱導率的物質。然而，這些物質的製造可能是耗時並且昂貴的。
此外，由於製造要求和其他物質的耐受性，許多熱電物質不能使其自身易於摻入各種各樣的裝置中用於熱收集和發電。
技術實現要素：
在一方面，本文描述了熱電裝置，在一些實施方式中，其能夠克服或減輕現有熱電物質的一種或多種缺點。在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置包括與至少一個n-型層結合的至少一個p-型層以提供pn結，以及至少部分地設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層，p-型層包括多個碳納顆粒而n-型層包括多個n-摻雜的碳納米顆粒。在一些實施方式中，p-型層的碳納米顆粒是p-摻雜的。
在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置包括與多個n-型層結合的多個p-型層以提供多個pn結，以及至少部分地設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層，其中至少一個p-型層包括多個碳納米顆粒而至少一個n-型層包括多個n-摻雜的碳納米顆粒。
在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置的p-型層進一步包括其中設置碳納米顆粒的聚合物基體。在一些實施方式中，n-型層進一步包括其中設置n-摻雜的碳納米顆粒的聚合物基體。在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置的p-型層和n-型層為堆疊構型。
在本文所描述的熱電裝置的一些實施方式中，包括p-摻雜和n-摻雜的碳納米管的碳納米顆粒可以用一種或多種無機半導體納米顆粒替代。在一些實施方式中，無機半導體納米顆粒包括IV族物質、II/V族物質或III/V族物質或它們的組合。在一些實施方式中，無機半導體納米顆粒包括量子點和/或納米線(nanowire)。在一些實施方式中，無機半導體納米顆粒具有與本文所描述的任何碳納米顆粒一致的尺寸。
在另一方面，本文描述了包括光電組件和熱電組件的光熱裝置，所述熱電組件包括與至少一個n-型層結合的至少一個p-型層以提供pn結，以及至少部分地設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層，p-型層包括多個碳納米顆粒而n-型層包括多個n-摻雜的碳納米顆粒。在一些實施方式中，熱電組件包括與多個n-型層結合的多個p-型層以提供多個pn結，以及至少部分地設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層。
在一些實施方式中，光-熱裝置進一步包括處於光電組件和熱電組件之間的斯託克斯位移層。在一些實施方式中，斯託克斯位移層包括可操作產生用於傳遞到熱電組件鄰側的熱能的一種或多種斯託克斯位移化學物質。在一些實施方式中，斯託克斯化學物質吸收通過光電組件的電磁輻射。
此外，在一些實施方式中，由一種或多種斯託克斯位移化學物質發射的輻射被光電組件吸收。
在另一方面，本文描述了製造熱電裝置的方法。在一些實施方式中，製造熱電裝置的方法包括提供包括大量碳納米顆粒的至少一個p-型層，提供包括大量n-摻雜的碳納米顆粒的至少一個n-型層，將絕緣層設置在p-型層和n-型層之間，並結合p-型層和n-型層以提供pn結。在一些實施方式中，多個p型層和n型層被提供並且彼此結合，從而形成多個pn結。在一些實施方式中，將絕緣層設置在p-型層和n-型層之間。另外，在製造熱電裝置方法的一些實施方式中，p-型層和n-型層以堆疊構型排列。
在另一方面，本文描述了製造光-熱裝置的方法。在一些實施方式中，製造光-熱裝置的方法包括提供光電組件，提供熱電組件並結合光電組件和熱電組件，熱電組件包括與至少一個n-型層結合的至少一個p-型層以提供pn結，以及至少部分地設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層，p-型層包括多個碳納米顆粒而n-型層包括多個n-摻雜的碳納米顆粒。在一些實施方式中，如本文所描述，熱電組件包括與多個n-型層結合的多個p-型層以提供多個pn結。
在一些實施方式中，製造光-熱裝置的方法進一步包括將斯託克斯位移層設置在光電組件和熱電組件之間。
在另一方面，本文描述了將電磁能轉化成電能的方法。在一些實施方式中，將電磁能轉化成電能的方法包括提供包括光電組件和與光電組件結合的熱電組件的裝置，熱電組件包括與至少一個n-型層結合的至少一個p-型層以提供pn結，以及至少部分地設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層，p-型層包括大量碳納米顆粒而n-型層包括大量n-摻雜的碳納米顆粒，用光電組件吸收電磁輻射以提供光電流，並加熱熱電組件的一側以誘導橫過(跨)熱電組件的電壓。
在一些實施方式中，加熱電組件的一側包括將在光電組件中產生的熱轉移到熱電組件的一側。另外，在一些實施方式中，加熱熱電組件的一側包括在光電組件和熱電組件之間提供斯託克斯位移層，用斯託克斯位移層吸收電磁輻射以產生熱和電磁輻射並將產生的熱轉移到熱電組件的一側。在一些實施方式中，由斯託克斯位移層產生的電磁輻射被傳送到光電組件用於產生光電流。
在下面的具體實施方式中，更加詳細地描述了這些以及其他實施方式。
附圖說明
圖1說明根據本文所描述的一個實施方式的熱電裝置的側面展開圖。
圖2說明根據本文所描述的一個實施方式的熱電裝置。
圖3說明在根據本文所描述的一些實施方式的聚合物基體中各種碳納米管負荷的澤貝克係數值。
圖4說明根據本文所描述的一個實施方式的光-熱裝置。
圖5說明根據本文所描述的一個實施方式的熱電裝置的側面展開圖。
具體實施方式
通過參考下面詳細的描述、實施例以及附圖可以更加容易地理解本文所描述的實施方式。然而，本文中所描述的元素、裝置和方法不限於在詳細的描述、實施例以及附圖中提供的具體實施方式。應當理解的是這些實施方式僅說明本發明的原理。本領域技術人員可以容易地清楚許多改變和適應，而不偏離本發明的精神和範圍。
另外，本文中描述的所有範圍應當理解成包括包含在其中的任何以及所有的子範圍。例如，所陳述的範圍「1.0至10.0」應當理解成包括以1.0以上的最小值開始並以10.0以下的最大值結束的任何和所有子範圍，例如1.0至5.3，或4.7至10.0，或3.6至7.9。
在一些實施方式中，本文描述了熱電裝置，熱電裝置包括與至少一個n-型層結合的至少一個p-型層以提供pn結，以及至少部分地設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層，p-型層包括多個碳納米顆粒而n-型層包括多個n-摻雜的碳納米顆粒。在一些實施方式中，p-型層的碳納米顆粒是p-摻雜的。
在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置包括與多個n-型層結合的多個p-型層以提供多個pn結，以及至少部分地設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層，其中至少一個p-型層包括大量碳納米顆粒而至少一個n-型層包括大量n-摻雜的碳納米顆粒。在一些實施方式中，在p-型層和n-型層之間在pn結部位提供金屬接觸。在一些實施方式中，例如，p-型層與n-型層通過金屬接觸結合以提供本文所描述的熱電裝置的pn結。
在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置的p-型層進一步包括其中設置碳納米顆粒的聚合物基體。在一些實施方式中，n-型層進一步包括其中設置n-摻雜的碳納米顆粒的聚合物基體。在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置的p-型層和n-型層為堆疊構型。
圖1說明根據本文所描述的一個實施方式的熱電裝置的展開側視圖。圖1中說明的熱電裝置包括以交替方式與n-型層(2)結合的兩個p-型層(1)。P-型層(1)和n-型層(2)的交替結合為熱電裝置提供z-型構型，在裝置的相對側上具有pn結(4)。絕緣層(3)被設置在p-型層(1)和n-型層(2)的界面之間，因為p-型層(1)和n-型層(2)為堆疊構型。如本文所描述的，圖1中提供的熱電裝置是處於展開狀態以有助於說明和理解裝置的各個組件。然而，在一些實施方式中，熱電裝置不處於展開狀態，使得絕緣層(3)與p-型層(1)和n-型層(2)接觸。
圖1另外地說明了通過使裝置的一側暴露於熱源而誘導的通過熱電裝置的電流。電接觸(X)提供給熱電裝置用於將熱產生的電流應用於外部負荷。
圖2說明根據本文所描述的一個實施方式的熱電裝置(200)，其中p-型層(201)和n-型層(202)為堆疊構型。p-型層(201)和n-型層(202)通過堆疊構型的絕緣層(207)而隔開。熱電裝置(200)通過電接觸(204，205)與外部負荷連接。
現在轉到可以包括在本文所描述的熱電裝置的各種實施方式中的組件，本文所描述的熱電裝置包括包含大量碳納米顆粒的至少一個p-型層。
在一些實施方式中，P-型層的碳納米顆粒包括富勒烯、碳納米管，或它們的混合物。在一些實施方式中，富勒烯包括1-(3-甲氧基羰基)丙基-1-苯基(6,6)C61(PCBM)。在一些實施方式中，碳納米管包括單壁碳納米管(SWNT)、多壁碳納米管(MWNT)，以及p-摻雜的單壁碳納米管、p-摻雜的多壁碳納米管或它們的混合物。
在一些實施方式中，p-摻雜的單壁碳納米管和/或p-摻雜的多壁碳納米管包括約0.1重量百分比至約30重量百分比範圍量的硼。在一些實施方式中，p-摻雜的單壁碳納米管和/或p-摻雜的多壁碳納米管包括約5重量百分比至約25重量百分比或約10重量百分比至約20重量百分比範圍量的硼。在一些實施方式中，p-摻雜的單壁碳納米管和/或p-摻雜的多壁碳納米管包括少於約0.1重量百分比量的硼。在一些實施方式中，p-摻雜的單壁碳納米管和/或p-摻雜的多壁碳納米管包括氧。
在一些實施方式中，將p-型摻雜劑結合到單壁和/或多壁碳納米管的晶格中。在一些實施方式中，將p-型摻雜劑通過圍繞單壁和/或多壁碳納米管的環境外部地提供給碳納米管。如本文進一步描述的，在一些實施方式中，將p-型層的碳納米管放置到聚合物基體中。在一些實施方式中，聚合物基體可以將p-摻雜劑提供到碳納米管的表面。在一些實施方式中，其中聚合物基體將p-摻雜劑提供到碳納米管的表面，碳納米管在結合到聚合物基體中之前並未p-摻雜。可替代地，在一些實施方式中，其中聚合物基體將p-摻雜劑提供到碳納米管的表面，碳納米管在結合到聚合物基體中之前包括p-摻雜劑。然而，在一些實施方式中，還將化學物質設置在聚合物基體中，如鹼金屬，可以用作碳納米管的p-摻雜劑。
在一些實施方式中，p-型層的碳納米顆粒具有較高的長寬比(長徑比)。如本文使用的，術語長寬比(長徑比)是指碳納米顆粒的長度除以碳納米顆粒的直徑或寬度。在一些實施方式中，p-型層的碳納米顆粒顯示範圍在約1至約106的長寬比。在一些實施方式中，碳納米顆粒顯示範圍在約10至約100,000的長寬比。在一些實施方式中，碳納米顆粒具有範圍在約10至約10,000或約5至約1000的長寬比。
在一些實施方式中，包括碳納米管的P-型層的碳納米顆粒具有範圍在約1nm至約5nm或約10nm至約1nm的長度。在一些實施方式中，碳納米顆粒具有範圍在約50nm至約500μm、約100nm至約100μm或約500nm至約10μm的長度。在一些實施方式中，碳納米顆粒具有範圍在約200μm至約500μm的長度。
在一些實施方式中，P-型層的碳納米顆粒具有範圍在約1nm至約100nm的直徑。在一些實施方式中，碳納米顆粒具有範圍在約10nm至約80nm或約20nm至約60nm的直徑。在一些實施方式中，碳納米顆粒具有大於約100nm或小於約1nm的直徑。
在一些實施方式中，包括碳納米管的p-型層的碳納米顆粒以襯墊構型(mat configuration)提供。
在一些實施方式中，p-型層包括範圍在約0.1重量百分比至約100重量百分比的量的本文所描述的一種或多種碳納米顆粒。在一些實施方式中，p-型層包括至少約2重量百分比的量的碳納米顆粒。在一些實施方式中，p-型層包括至少約5重量百分比或至少約10重量百分比的量的碳納米顆粒。在一些實施方式中，p-型層包括約2重量百分比至約50重量百分比的量的碳納米顆粒。在一些實施方式中，p-型層包括約5重量百分比至約30重量百分比的量的碳納米顆粒。
在一些實施方式中，本文所描述的p-型層的碳納米顆粒的加載可以參考所要求的層的澤貝克係數來選擇。圖3說明根據本文所描述的一些實施方式作為p-型層的聚偏氟乙烯(PVDF)基體的SWNT加載的函數的澤貝克係數。如在圖3中說明的，範圍在5重量百分比至100重量百分比的SWNT加載提供用了p-型層的澤貝克係數的範圍。
如本文所描述的，在一些實施方式中，p-型層進一步包括其中設置有碳納米顆粒的聚合物基體。與本發明的目的一致的任何聚合物材料可以用於生產聚合物基體。在一些實施方式中，聚合物基體包括氟聚合物，包括但不限於，聚氟乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或它們的混合物或共聚物。在一些實施方式中，聚合物基體包括聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或它們的混合物或共聚物。在一些實施方式中，聚合物基體包括聚烯烴，包括但不限於，聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或它們的混合物或共聚物。
在一些實施方式中，聚合物基體包括一種或多種共軛聚合物。在一些實施方式中，共軛聚合物包括噻吩類包括聚(3-己基噻吩)(P3HT)、聚(3-辛基噻吩)(P3OT)，以及聚噻吩(PTh)。
在一些實施方式中，聚合物基體包括一種或多種半導體聚合物。在一些實施方式中，半導體聚合物包括苯乙炔類(phenylene vinylene)，如聚(苯乙炔)和聚(對-苯乙炔)(PPV)，以及它們的衍生物。在一些實施方式中，半導體聚合物可以包括聚(2-乙烯基吡啶)(P2VP)、聚醯胺、聚(N-乙烯基咔唑)(PVCZ)、聚吡咯(PPy)，以及聚苯胺(PAn)。在一些實施方式中，半導體聚合物包括聚[2,6-(4,4-二-(2-乙基己基)-4H-環戊烷並[2,1-b；3,4-b']二噻吩)-交替-4,7-(2,1,3-苯並噻二唑)](PCPDTBT)。
在一些實施方式中，p-型層可以具有與本發明的目的一致的任何希望的厚度。在一些實施方式中，p-型層具有至少約10nm或至少約100nm的厚度。在一些實施方式中，p-型層具有至少約500nm或至少約1μm的厚度。一些實施方式中，p-型層具有至少約5μm或至少約15μm的厚度。在一些實施方式中，p-型層具有約5nm至約50μm的厚度。在一些實施方式中，p-型層具有約50nm至約30μm的厚度。在一些實施方式中，p-型層具有約100nm至約20μm的厚度。在一些實施方式中，p-型層具有約10nm至約100nm的厚度。
在一些實施方式中，p-型層可以具有與本發明的目的一致的任何希望的長度。在一些實施方式中，p-型層具有至少約1μm或至少約10μm的長度。在一些實施方式中，p-型層具有至少約100μm或至少約500μm的長度。在一些實施方式中，p-型層具有至少約1mm或至少約10mm的長度。在一些實施方式中，p-型層具有約1μm至約100mm的長度。在一些實施方式中，p-型層具有約10μm至約500mm的長度。
在一些實施方式中，p-型層具有在290oK的溫度下至少約5μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，p-型層具有在290oK的溫度下至少約10μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，p-型層具有在290oK的溫度下至少約15μV/K或至少約20μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，p-型層具有在290oK的溫度下至少約30μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，p-型層具有在290oK的溫度下約5μV/K至約35μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，p-型層具有在290oK的溫度下約10μV/K至約30μV/K的澤貝克係數。
如本文所描述的，在一些實施方式中，p-型層的澤貝克係數可以根據碳納米顆粒的身份和加載而變化。在一些實施方式中，例如，p-型層的澤貝克係數與p-型層的單壁碳納米管加載成反比。
除了至少一個p-型層，本文描述的熱電裝置包括包含大量n-摻雜的碳納米顆粒的至少一個n-型層。
在一些實施方式中，N-摻雜的碳納米顆粒，包括富勒烯、碳納米管、或它們的混合物。在一些實施方式中，富勒烯包括1-(3-甲氧基羰基)丙基-1-苯基(6,6)C61(PCBM)。在一些實施方式中，n-摻雜的碳納米管包括單壁碳納米管、多壁碳納米管或它們的混合物。
在一些實施方式中，包括碳納米管的n-型層的碳納米顆粒以襯墊構型提供。
在一些實施方式中，N-摻雜的單壁碳納米管和/或n-摻雜的多壁碳納米管包括範圍在約0.1重量百分比至約30重量百分比的量的氮。在一些實施方式中，n-摻雜的單壁碳納米管和/或n-摻雜的多壁碳納米管包括範圍在約5重量百分比至約25重量百分比或約10重量百分比至約20重量百分比的量的氮。在一些實施方式中，n-摻雜的單壁碳納米管和/或n-摻雜的多壁碳納米管包括少於約0.1重量百分比的量的氮。在一些實施方式中，n-摻雜的單壁碳納米管和/或n-摻雜的多壁碳納米管是脫氧納米管。
在一些實施方式中，將n-型摻雜劑結合到單壁和/或多壁碳納米管的晶格中。在一些實施方式中，通過圍繞單壁和/或多壁碳納米管的環境將n-型摻雜劑外部地提供給碳納米管。如本文進一步描述的，在一些實施方式中，將n-型層的碳納米管放置到聚合物基體中。在一些實施方式中，聚合物基體可以將n-摻雜劑提供到碳納米管的表面。在其中聚合物基體將n-摻雜劑提供到碳納米管表面的一些實施方式中，在結合到基體中之前碳納米管並未被n-摻雜。在其中聚合物基體將n-摻雜劑提供到碳納米管表面的一些實施方式中，在結合到基體中之前碳納米管被n-摻雜。
在一些實施方式中，n-型層的n-摻雜的碳納米顆粒具有較高的長寬比。在一些實施方式中，n-型層的n-摻雜的碳納米顆粒顯示範圍在約1至約106的長寬比。在一些實施方式中，n摻雜的碳納米顆粒顯示範圍在約10至約100,000的長寬比。在一些實施方式中，n-摻雜的碳納米顆粒具有範圍在約10至約10,000或約5至約1000的長寬比。
在一些實施方式中，包括碳納米管的n-型層的碳納米顆粒具有範圍在約1nm至約5mm或約10nm至約1mm的長度。在一些實施方式中，n摻雜的碳納米顆粒具有範圍在約50nm至約500μm、約100nm至約100μm或約500nm至10μm的長度。在一些實施方式中，n摻雜的碳納米管具有範圍在約200pm至約500μm的長度。
在一些實施方式中，n-型層的碳納米顆粒具有範圍在約1nm至約100nm的直徑。在一些實施方式中，n-摻雜的碳納米顆粒具有範圍在約10nm至約80nm或約20nm至約60nm的直徑。在一些實施方式中，n-摻雜的碳納米顆粒具有大於約100nm或小於約1nm的直徑。
在一些實施方式中，n-型層可以包括範圍在約0.1重量百分比至約100重量百分比的量的本文所描述的一種或多種n-摻雜的碳納米顆粒。在一些實施方式中，n-型層包括至少約2重量百分比的量的n-摻雜的碳納米顆粒。在一些實施方式中，n-型層包括至少約5重量百分比或至少約10重量百分比的量的n摻雜的碳納米顆粒。在一些實施方式中，n-型層包括約2重量百分比至約50重量百分比的量的n-摻雜的碳納米顆粒。在一些實施方式中，n-型層包括約5重量百分比至約30重量百分比的量的n-摻雜的碳納米顆粒。與p-型層一樣，在一些實施方式中，n-型層的納米顆粒加載可以參考所希望的層的澤貝克係數來確定。
如本文所描述的，在一些實施方式中，n-型層進一步包括其中放置n-摻雜的碳納米顆粒的聚合物基體。與本發明的目的一致的任何聚合物材料可以用於生產用於接收n-摻雜的碳納米顆粒的聚合物基體。在一些實施方式中，聚合物基體包括氟聚合物，包括但不限於，聚氟乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、或它們的混合物或共聚物。在一些實施方式中，聚合物基體包括聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或它們的混合物或共聚物。在一些實施方式中，聚合物基體包括聚烯烴，包括但不限於，聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或它們的混合物或共聚物。
在一些實施方式中，n-型層的聚合物基體包括一種或多種共軛聚合物。在一些實施方式中，共軛聚合物包括噻吩類包括聚(3-己基噻吩)(P3HT)、聚(3-辛基噻吩)(P3OT)，以及聚噻吩(PTh)。
在一些實施方式中，n-型層的聚合物基體包括一種或多種半導體聚合物。在一些實施方式中，半導體聚合物包括苯乙炔類，如聚(苯乙炔)和聚(對-苯乙炔)(PPV)，以及它們的衍生物。在另外的實施方式中，半導體聚合物可以包括聚芴類、萘類，以及它們的衍生物。在一些實施方式中，半導體聚合物包括聚(2-乙烯基吡啶)(P2VP)、聚醯胺、聚(N-乙烯基咔唑)(PVCZ)、聚吡咯(PPy)，以及聚苯胺(PAn)。
在一些實施方式中，n-型層可以具有與本發明的目的一致的任何希望的厚度。在一些實施方式中，n-型層具有至少約1nm的厚度。在一些實施方式中，n-型層具有至少約10nm或至少約100nm的厚度。在一些實施方式中，n-型層具有至少約500nm或至少約1μm的厚度。在一些實施方式中，n-型層具有至少約5μm或至少約15μm的厚度。在一些實施方式中，n-型層具有約5nm至約50μm的厚度。在一些實施方式中，n-型層具有約50nm至約30μm的厚度。在一些實施方式中，n-型層具有約100nm至約20μm的厚度。
在一些實施方式中，n-型層可以具有與本發明的目的一致的任何希望的長度。在一些實施方式中，n-型層具有至少約1μm或至少約10μm的長度。在一些實施方式中，n-型層具有至少約100μm或至少約500μm的長度。在一些實施方式中，n-型層具有至少約1mm或至少約10mm的長度。在一些實施方式中，n-型層具有約1μm至約100mm的長度。在一些實施方式中，n-型層具有約10μm至約500mm的長度。在一些實施方式中，n-型層具有與鄰近的p-型層共同延伸或基本共同延伸的長度。
在一些實施方式中，n-型層具有在290oK的溫度下至少約-5μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，n-型層具有在290oK的溫度下至少約-10μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，n-型層具有在290oK的溫度下至少約-15μV/K或至少約-20μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，n-型層具有在290oK的溫度下至少約-30μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，n-型層具有在290oK的溫度下約-5μV/K至約-35μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，n-型層具有在290oK的溫度下約-10μV/K至約-30μV/K的澤貝克係數。
在一些實施方式中，n-型層的澤貝克係數可以根據n-摻雜的碳納米顆粒的身份和加載而變化。在一些實施方式中，例如，n-型層的澤貝克係數與n-型層的碳納米顆粒加載成反比。
在本文所描述的熱電裝置的一些實施方式中，包括p-摻雜和n-摻雜的碳納米管的碳納米顆粒可以用一種或多種無機半導體納米顆粒替代。在一些實施方式中，無機半導體納米顆粒包括第IV族物質、第II/V族物質或第III/V族物質或它們的組合。在一些實施方式中，無機半導體納米顆粒包括量子點和/或納米線。在一些實施方式中，無機半導體納米材料提供有分別用於本文所描述的p-層和n-層的p-摻雜劑或n-摻雜劑。
在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置還包括設置在至少一個p-型層和至少一個n-型層之間的絕緣層。在一些實施方式中，絕緣層是電絕緣的。在一些實施方式中，絕緣層是電絕緣且熱絕緣的。在一些實施方式中，熱電裝置包括設置在多個p-型層和n-型層之間的多個絕緣層。在一些實施方式中，絕緣層允許本文所描述的熱電裝置的p-型層和n-型層以堆疊構型排列。
在一些實施方式中，絕緣層包括一種或多種聚合物材料。與本發明的目的一致的任何聚合物材料可以用於生產絕緣層。在一些實施方式中，絕緣層包括聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或它們的混合物或共聚物。在一些實施方式中，絕緣層包括聚烯烴，包括但不限於，聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或它們的混合物或共聚物。在一些實施方式中，絕緣層包括PVDF。
絕緣層可以具有與本發明的目的一致的任何希望的厚度。在一些實施方式中，絕緣層具有至少約50nm的厚度。在一些實施方式中，絕緣層具有至少約75nm或至少約100nm的厚度。在一些實施方式中，絕緣層具有至少約500nm或至少約1μm的厚度。一些實施方式中，絕緣層具有至少約5μm或至少約15μm的厚度。在一些實施方式中，絕緣層具有約50nm至約50μm的厚度。在一些實施方式中，絕緣層具有約50nm至約30μm的厚度。在一些實施方式中，絕緣層具有約100nm至約20μm的厚度。
絕緣層可以具有與本發明的目的一致的任何希望的長度。在一些實施方式中，絕緣層具有與其間設置絕緣層的p-型層和n-型層的長度基本一致的長度。在一些實施方式中，絕緣層具有至少約1μm或至少約10μm的長度。在一些實施方式中，絕緣層具有至少約100μm或至少約500μm的長度。在一些實施方式中，絕緣層具有至少約1mm或至少約10μm的長度。在一些實施方式中，絕緣層具有約1μm至約100μm的長度。在一些實施方式中，絕緣層具有約10μm至約500mm的長度。
在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置包括多個p-型層和多個n-型層。在一些實施方式中，熱電裝置可以包括與本發明的目的一致的任何數量的p-型層和n-型層。在一些實施方式中，p-型層和n-型層以交替形式和堆疊構型排列，被絕緣層隔開。在一些實施方式中，熱電裝置包括至少3個p-型層和至少3個n-型層。在一些實施方式中，熱電裝置包括至少5個p-型層和至少5個n-型層。在一些實施方式中，熱電裝置包括至少10個p-型層和至少10個n-型層。在一些實施方式中，熱電裝置包括至少15個p-型層和至少15個n-型層。在一些實施方式中，熱電裝置包括至少100個p-型層和至少100個n-型層。在一些實施方式中，熱電裝置包括至少1000個p-型層和至少1000個n-型層。
在一些實施方式中，包括一個或多個p-型層和一個或多個n-型層的本文所描述的熱電裝置具有織物形式。在一些實施方式中，織物是柔性的，允許將熱電裝置應用到具有不同表面形狀和/或形態的多種基底。在一些實施方式中，例如，將熱電裝置應用至彎曲的和/或其他非平面的基底。
在一些實施方式中，具有本文描述構造的熱電裝置具有在290oK的溫度下至少約25μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，本文描述的熱電裝置具有在290oK的溫度下至少約30μV/K或至少約50μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，本文描述的熱電裝置具有在290oK的溫度下至少約75μV/K或至少約100μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，本文描述的熱電裝置具有在290oK的溫度下至少約150μV/K或至少約175μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，本文描述的熱電裝置具有在290oK的溫度下至少約200μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，本文描述的熱電裝置具有在290oK的溫度下範圍在約25μV/K至約250μV/K的澤貝克係數。在一些實施方式中，本文描述的熱電裝置具有在290oK的溫度下範圍在約50μV/K至約150μV/K的澤貝克係數。
在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置具有至少0.5的ZT。在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置具有至少約0.7或至少約0.8的ZT。在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置具有至少約1或至少約1.5的ZT。在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置具有範圍在約0.5至約2或約0.8至約1.5的ZT。在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置具有範圍在約1至約1.3的ZT。在一些實施方式中，本文所描述的熱電裝置具有範圍在約1至10的ZT。
在另一方面，本文描述了包括光電組件和熱電組件的光-熱裝置，熱電組件包括結合到至少一個n-型層上的至少一個p-型層以提供pn結，以及至少部分設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層，p-型層包括大量碳納米顆粒而n-型層包括大量n-摻雜的碳納米顆粒。在一些實施方式中，熱電組件包括結合到多個n-型層上的多個p-型層以提供多個pn結，以及至少部分設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層。
圖4說明根據本文描述的一個實施方式的光-熱裝置。圖4中說明的光-熱裝置(400)包括結合到熱電組件(402)上的光電組件(401)。熱電組件可以包括用於熱電裝置的本文描述的任何結構。
而且，光電組件包括輻射透射型第一電極(404)、至少一個感光層(405)、激子阻擋層(406)以及第二輻射透射型電極(407)。在光熱裝置的一些實施方式中，熱電組件附近的光電組件的電極是非-輻射透射型。
根據本文描述的一些實施方式，輻射透射型第一電極和第二電極包括輻射透射型導電氧化物。
在一些實施方式中，輻射透射型導電氧化物，可以包括銦錫氧化物(ITO)、鎵銦錫氧化物(GITO)，以及鋅銦錫氧化物(ZITO)。在一些實施方式中，輻射透射型第一和第二電極可以包括輻射透射型聚合物材料如聚苯胺(PANI)以及它的化學相關物。在一些實施方式中，輻射透射型第一和第二電極包括ZnO：Al。
在一些實施方式中，3,4-聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)可以是適合第一和/或第二電極的輻射透射型聚合物材料。在一些實施方式中，輻射透射型第一和/或第二電極可以包括具有可操作以至少部分通過可見電磁輻射的厚度的碳納米管層。
在另外的實施方式中，輻射透射型第一和/或第二電極可以包括複合材料，該複合材料包括分散於聚合物相中的納米顆粒相。在一些實施方式中，納米顆粒相可以包括碳納米管、富勒烯，或它們的混合物。在進一步的實施方式中，輻射透射型第一和/或第二電極可以包括具有可操作以至少部分通過可見電磁輻射的厚度的金屬層。在一些實施方式中，金屬層可以包括基本純的金屬或合金。適於用作輻射透射型第一電極的金屬可以包括高逸出功金屬。
在一些實施方式中，輻射透射型第一和第二電極可以具有範圍在約10nm至約1μm的厚度。在一些實施方式中，輻射透射型第一和第二電極可以具有範圍在約100nm至約900nm的厚度。在另外的實施方式中，輻射透射型第一和第二電極可以具有範圍在約200nm至約800nm的厚度。在進一步的實施方式中，輻射透射型第一和第二電極可以具有大於約1μm的厚度。
在一些實施方式中，輻射透射型第一和第二電極彼此獨立地構建。在一些實施方式中，輻射透射型第一和第二電極彼此參考地構建。
在一些實施方式中，光電組件的至少一個感光層包括有機組合物。在一些實施方式中，感光有機層具有範圍在約30nm至約1μm的厚度。在另外的實施方式中，感光有機層具有範圍在約80nm至約800nm的厚度。在進一步的實施方式中，感光有機層具有範圍在約100nm至約300nm的厚度。
根據本文描述的實施方式，感光有機層包括至少一個光活性區，其中吸收電磁輻射以產生隨後可以分裂成電子和空穴的激子。在一些實施方式中，光活性區可以包括聚合物。在一個實施方式中，適用於感光有機層的光活性區的聚合物可以包括共軛聚合物如噻吩類，包括聚(3-己基噻吩)(P3HT)、聚(3-辛基噻吩)(P3OT)，以及聚噻吩(PTh)。
在一些實施方式中，適用於感光有機層的光活性區的聚合物可以包括半導體聚合物。在一個實施方式中，半導體聚合物包括苯乙炔類，如聚(苯乙炔)和聚(p-苯乙炔)(PPV)，以及它們的衍生物。在一些實施方式中，半導體聚合物可以包括聚芴、萘、以及它們的衍生物。在進一步的實施方式中，用於感光有基層的光活性區的半導體聚合物可以包括聚(2-乙烯基吡啶)(P2VP)、聚醯胺、聚(N-乙烯基咔唑)(PVCZ)、聚吡咯(PPy)，以及聚苯胺(PAn)。
根據一些實施方式，光活性區可以包括小分子。在一個實施方式中，適合用於感光有機層的光活性區的小分子可以包括香豆素6、香豆素30、香豆素102、香豆素110、香豆素153，以及香豆素480D。在另外的實施方式中，小分子可以包括部花青540。在進一步的實施方式中，小分子可以包括9,10-二羥基苯並[a]芘-7(8H)-酮、7-甲基苯並[a]芘、芘、苯並[e]芘、3,4-二羥基-3-環丁烯-1,2-二酮，以及1,3-二[4-(二甲基氨基)苯基-2,4-二羥基環丁烯二基鎓二氫氧化物](1,3-二[4-(二甲基氨基)苯基-2,4-二羥基環丁烯二基鎓二氫氧化物])。
在一些實施方式中，激子分裂在鄰近的供體和受體物質之間形成的有機層的異質結處沉澱。在本文描述的一些實施方式中，有機層包括在供體和受體物質之間形成的至少一個本體異質結。在另外的實施方式中，有機層包括在供體和受體物質之間形成的多個本體異質結。
在有機物質的背景中，術語供體和受體是指兩個接觸但不同有機物質的最高佔據分子軌道(HOMO)和最低未佔據分子軌道(LUMO)能級的相對位置。這與在無機背景中這些術語的使用相對，其中供體和受體可以指可以用於分別產生無機n-和p-型層的摻雜劑的類型。在有機背景中，如果與另外的物質接觸的一種物質的LUMO能級較低，則該物質是受體。否則，它是供體。在不存在外部偏差的情況下，它在能量上有利於供體-受體結處的電子移動進入受體物質，以及有利於空穴移動進入供體物質。
根據本文描述的一些實施方式，感光有機層的光活性區包括聚合物複合材料。在一個實施方式中，聚合物複合材料可以包括分散在聚合物相中的納米顆粒相。適於產生光活性區的聚合物相的聚合物可以包括共軛聚合物，如噻吩類，包括聚(3-己基噻吩)(P3HT)和聚(3-辛基噻吩)(P3OT)。
在一些實施方式中，分散於聚合物複合材料的聚合物相中的納米顆粒相包括至少一種碳納米顆粒。碳納米顆粒可以包括富勒烯、碳納米管，或它們的混合物。在一個實施方式中，適合用於納米顆粒相的富勒烯可以包括1-(3-甲氧基羰基)丙基-1-苯基(6,6)C61(PCBM)。根據一些實施方式，用於納米顆粒相的碳納米管可以包括單壁納米管、多壁納米管，或它們的混合物。
在本文描述的一些實施方式中，在聚合物複合材料中聚合物相對於納米顆粒的比率範圍約1:10至約1:0.1。在一些實施方式中，在聚合物複合材料中聚合物相對於納米顆粒的比率範圍約1:4至約1:0.4。在一些實施方式中，在聚合物複合材料中聚合物相對於納米顆粒的比率範圍約1:2至約1:0.6。在一個實施方式中，聚(3-己基噻吩)相對於PCBM的比率範圍約1:1至約1:0.4。
在進一步的實施方式中，分散在聚合物相中的納米顆粒相包括至少一種納米須。如本文使用的，納米須是指由多個碳納米顆粒形成的結晶碳納米顆粒。在一些實施方式中，納米須可以通過退火包括聚合物複合材料的感光有機層來產生。根據一些實施方式，可操作形成納米須的碳納米顆粒可以包括單壁碳納米管、多壁碳納米管，以及富勒烯。在一個實施方式中，納米須包括結晶PCBM。在一些實施方式中，退火感光有機層可以進一步增加納米顆粒相分散在聚合物相中。
在包括聚合物相和納米顆粒相的光活性層的實施方式中，聚合物相用作供體物質而納米顆粒用作受體物質，從而形成用於將激子分離成空穴和電子的異質結。在其中納米顆粒遍及聚合物相分散的實施方式中，有機層的光活性區包括多個本體異質結。在一些實施方式中，在感光有機層的光活性區中的供體物質可以包括有機金屬化合物，包括卟啉類、酞菁類，以及它們的衍生物。在進一步的實施方式中，在感光有機層的光活性區中的受體物質可以包括二萘嵌苯、萘類，以及它們的混合物。
在一些實施方式中，光電組件的至少一個感光層包括無機組合物。在一些實施方式中，本文描述的感光無機層可以具有多種組合物。在一些實施方式中，本文描述的光電組件的感光無機層包括無機組合物，其包括第IV族半導體物質、第II/VI族半導體物質(如CdTe)、第III/V族半導體物質，或它們的組合或混合物。在一些實施方式中，感光無機層包括第IV族、第II/VI族，或第III/VI族二元，三元或四元系統。在一些實施方式中，感光無機層包括I/III/VI物質，如銅銦鎵硒(CIGS)。在一些實施方式中，感光無機層包括多晶矽(Si)。在一些實施方式中，感光無機層包括微晶矽、納米晶矽和/或原晶矽。在一些實施方式中，感光無機層包括多晶銅鋅錫硫化物(CZTS)。在一些實施方式中，感光無機層包括微晶、納米晶，和/或原晶CZTS。在一些實施方式中，CZTS包括Cu2ZnSnS4。在一些實施方式中，CZTS進一步包括硒(Se)。在一些實施方式中，CZTS進一步包括鎵(Ga)。
在一些實施方式中，本文描述的光電組件的感光無機層包括無定形物質。在一些實施方式中，至少一個感光無機層包括無定形矽(a-Si)。在一些實施方式中，感光無機層的無定形矽是未鈍化的或基本未鈍化的。在一些實施方式中，感光無機層的無定形矽用氫鈍化(a-Si:H)。在一些實施方式中，感光無機層的無定形矽不用氫鈍化或是非-氫鈍化的。在一些實施方式中，例如，感光無機層的無定形矽不包括或基本不包括Si:F。可替代地，在一些實施方式中，感光無機層的無定形矽是氟鈍化的(a-Si:F)。
在一些實施方式中，可以通過摻雜在本文描述的感光無機層中建立一個或多個異質結。在一些實施方式中，例如，感光無機層的一個區用p-摻雜劑摻雜而感光無機層的另一個區用n-摻雜劑摻雜以提供異質結。在其中感光無機層的物質本質上是p-型的一些實施方式中，感光無機層的區域可以用n-摻雜劑來摻雜以提供異質結。在其中感光無機層的物質本質上是n-型的一些實施方式中，感光無機層的區域可以用p-摻雜劑來摻雜以提供異質結。
在一些實施方式中，摻雜適合摻雜的感光層的本文描述的任何無機物質以在感光層中建立一種或多種異質結。在一些實施方式中，例如，氫鈍化的無定形矽用p-型和/或n-型摻雜劑來摻雜以建立一種或多種異質結。此外，在一些實施方式中，本文描述的無機感光層的第IV族、第III/V族和/或第II/VI族半導體物質可以用p-型和/或n-型摻雜劑來摻雜以提供一種或多種異質結。
在一些實施方式中，本文描述的光電組件包括至少一個感光無機層，其包括n-型區、本徵區、以及p-型區。在一些實施方式中，n-型區由n-摻雜的無機半導體組成。在一些實施方式中，p-型區由p-摻雜的無機半導體組成。在一些實施方式中，本徵區由非摻雜的無機半導體組成。
在一些實施方式中，本文描述的光電組件包括多結結構。在一些實施方式中，光電組件包括多個感光無機層，各個層包括n-型區、本徵區、以及p-型區。在一些實施方式中，光電組件包括兩個感光無機層，每個層包括n-型區、本徵區、以及p-型區，由此提供雙結裝置。在一些實施方式中，光電組件包括三個感光無機層，每個層包括n-型區、本證區、以及p-型區，由此提供三結裝置。在一些實施方式中，包括多個感光無機層，每個層包括n-型區、本徵區、以及p-型區，多個無機層彼此鄰近，使得在無機層之間形成一種或多種異質結。在一些實施方式中，例如，光電組件包括包含第一n-型區、第一本徵區、以及第一p-型區的第一感光無機層；以及包含第二n-型區、第二本徵區、以及第二p-型區的第二感光無機層，其中第一p-型區與第二n-型區鄰近或第一n-型區與第二p-型區鄰近。在一些實施方式中，本文描述的光電裝置包括單結裝置。如本領域技術人員已知的，在一些實施方式中，隧道結可以設置在本文描述的多結裝置的結構中的第一、第二和/或第三感光無機層之間。
在一些實施方式中，光電組件包括多個感光有機層。
在其中在光電組件中存在多個感光層的一些實施方式中，感光層的吸收曲線並不重疊或並不基本重疊。在其中光電組件中存在多個感光層的一些實施方式中，感光層的吸收曲線至少部分重疊。在一些實施方式中，多個感光層可以用於光電組件中以捕捉太陽光譜的一個或多個區。
在一些實施方式中，光電組件的激子阻擋層(EBL)可以作用以限制光產生的激子到達分裂界面附近的區域並防止寄生激子在感光層/電極界面淬滅。除了限制激子可以在其上擴散的路徑，EBL可以另外地作為擴散阻擋層作用到在電極沉積期間引入的物質上。在一些實施方式中，EBL可以具有足夠的厚度以填充空穴或縮短缺陷，否則這會使光電裝置不可操作。
根據本文描述的一些實施方式，EBL可以包括聚合物複合材料。在一個實施方式中，EBL包括分散在3,4-聚乙烯二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT:PSS)中的碳納米顆粒。在另外的實施方式中，EBL包括分散在聚(偏二氯乙烯)以及其共聚物中的碳納米顆粒。分散在包括PEDOT:PSS和聚(偏二氯乙烯)的聚合物相中的碳納米顆粒可以包括單壁納米管、多壁納米管、富勒烯，或它們的混合物。在進一步的實施方式中，EBL可以包括具有可操作以允許空穴傳送而阻止電子通過的逸出功能量的任何聚合物。
在一些實施方式中，EBL可設置在光活性組件的輻射透射型第一電極和有機感光層之間。在其中光電裝置包括多個感光有機層的一些實施方式中，例如，可以將EBLs設置在感光有機層之間。
在一些實施方式中，光電組件包括一個或多個升頻器和/或降頻器。如本領域技術人員所理解的，升頻器是可操作以發射具有比被該物質吸收的電磁輻射能量更高能量的電磁輻射以產生激發態的物質。適合用於一些實施方式的升頻器，可以吸收紅外輻射並發射可見輻射(在可操作以被本文描述的光電組件的感光有機層吸收的波長下)。
在一些實施方式中，升頻器可以包括包含至少一種鑭系元素的物質。在一些實施方式中，升頻器物質可以包括包含至少一種鑭系元素的納米顆粒。根據本文描述的一些實施方式適合用於升頻器物質的鑭系元素包括鉺、鐿、鏑、鈥，或它們的混合物。在一些實施方式中，升頻器物質包括摻雜有鉺、鐿、鏑、鈥，或它們的混合物的離子的金屬氧化物和金屬硫化物。在另外的實施方式中，光學纖維可直接摻雜有鉺、鐿、鏑、鈥，或它們的混合物的離子。
在另外的實施方式中，升頻器物質可以包括有機化學物質。有機升頻器物質可以包括H2C6N和4-二烷基氨基-1,8-萘醯亞胺類以及1,8-萘醯亞胺衍生物和化合物，如多分枝的萘醯亞胺衍生物TPA-NA1、TPA-NA2，以及TPA-NA3。有機升頻器物質還可以包括4-(二甲氨基)肉桂腈(順式和反式)、反式-4-[4-(二甲基氨基)苯乙烯基]-1-甲基吡啶碘化物、4-[4-(二甲基氨基)苯乙烯基]吡啶、4-(二甲基氨基)苯甲醛二苯基腙、反式-4-[4-(二甲基氨基)苯乙烯基]-1-甲基吡啶鎓對-甲苯磺酸鹽、2-[乙基[4-[2-(4-硝基苯基)乙烯基]苯基]氨基]乙醇、4-二甲基氨基-4』-硝基均二苯代乙烯、分散橙25、分散橙3，以及分散紅1。
在進一步的實施方式中，升頻器物質可以包括量子點。根據一些實施方式，量子點可以包括III/V或II/V半導體物質，如硒化鎘(CdSe)、碲化鎘(CdTe)，以及硒化鋅(ZnSe)。升頻器物質還可以包括量子點的核-殼結構。
除了本文所提供的這些，本文所描述的一些實施方式考慮了包括過渡金屬如鉻的另外的升頻器物質。
在一些實施方式中，光電組件具有與在美國專利申請號12/298,942和12/298,936中所描述的一致的結構，將其各自的全部內容併入本文以供參考。
再次參考圖4，光-熱裝置(400)進一步包括設置在光電組件(401)和熱電組件(402)之間的斯託克斯位移層(403)。在一些實施方式中，斯託克斯位移層包括可操作產生用於傳遞至熱電組件鄰邊的熱能的一種或多種斯託克斯位移化學物質。在一些實施方式中，斯託克斯位移化學物質吸收通過光電組件(401)的電磁輻射。而且，在一些實施方式中，由一種或多種斯託克斯位移化學物質發射的輻射被光電組件(401)吸收。
與本發明的目的一致的任何斯託克斯位移物質可以用於結合到斯託克斯位移層中。在一些實施方式中，根據吸收和發射曲線選擇適合的斯託克斯位移物質。在一些實施方式中，斯託克斯位移物質的吸收曲線不與光電組件的感光層的吸收曲線重疊。在一些實施方式中，斯託克斯位移物質的吸收曲線與光電組件的感光層的吸收曲線至少部分重疊。另外，在一些實施方式中，斯託克斯位移物質具有與光電組件的感光層的吸收曲線至少部分重疊的發射曲線。
在一些實施方式中，斯託克斯位移物質可操作以在電磁波譜的近紫外區吸收輻射。在一些實施方式中，例如，斯託克斯位移物質吸收具有範圍在約300nm至約400nm波長的輻射。
在一些實施方式中，斯託克斯位移物質包括染料。可以使用與本發明的目的一致的任何染料。在一些實施方式中，例如，染料包括香豆素類、香豆素衍生物、芘類，以及芘衍生物中的一種或多種。在一些實施方式中，斯託克斯位移物質包括紫外光-可激發螢光團。適合用於本文描述的一些實施方式的染料的非限制性實例包括甲氧基香豆素、丹磺醯染料、芘、Alexa Fluor 350、氨基甲基香豆素乙酸酯/鹽(AMCA)、Marina Blue染料、Dapoxyl染料、二烷基氨基香豆素、bimane染料、羥基香豆素、Cascade Blue染料、Pacific Orange染料、Alexa Fluor 405、Cascade Yellow染料、Pacific Blue染料、PyMPO、以及Alexa Fluor 430。
在一些實施方式中，斯託克斯位移物質包括磷光體。可以使用與本發明的目的一致的任何磷光體。在一些實施方式中，例如，磷光體包括一種或多種滷代磷酸磷光體和三磷光體。適合用於本文描述的一些實施方式的磷光體的非限制性實例包括Ca5(PO4)3(F,Cl):Sb3+、Mn2+；Eu:Y2O3；以及Tb3+、Ce3+:LaPO4。在一些實施方式中，磷光體包括磷光體顆粒。在一些實施方式中，磷光體顆粒可以混懸在流體中。
在另一方面，本文描述了製造熱電裝置的方法。在一些實施方式中，製造熱電裝置的方法包括提供包括大量碳納米顆粒的至少一個p-型層，提供包括大量n-摻雜的碳納米顆粒的至少一個n-型層，將絕緣層設置在p-型層和n-型層之間，並將p-型層和n-型層結合以提供pn結。在一些實施方式中，提供多個p-型層和n-型層並且彼此結合以形成多個pn結。在一些實施方式中，將絕緣層設置在p-型層和n-型層之間。另外，在製造熱電裝置的方法的一些實施方式中，p-層和n-層以堆疊構型排列。在一些實施方式中，p-層和n-層通過金屬接觸結合以提供pn結。在一些實施方式中，例如，p-層與n-層通過金屬接觸結合以提供本文描述的熱電裝置的pn結。
在另一方面，本文描述了製造光-電裝置的方法。在一些實施方式中，製造光-電裝置的方法包括提供光電組件，提供熱電組件並結合光電組件和熱電組件，該熱電組件包括與至少一個n-型層結合的至少一個p-型層以提供pn結，以及至少部分地設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層，該p-型層包括大量碳納米顆粒而該n-型層包括大量n-摻雜的碳納米顆粒。在一些實施方式中，如本文所描述的，熱電組件包括與多個n-型層結合的多個p-型層以提供多個pn結。
在一些實施方式中，製造光-熱裝置的方法進一步包括將斯託克斯位移層設置在光電組件和熱電組件之間。
在另一方面，本文描述了將電磁能轉換成電能的方法。在一些實施方式中，將電磁能轉換成電能的方法包括提供包括光電組件和與光電組件結合的熱電組件的裝置，該熱電組件包括與至少一個n-型層結合的至少一個p-型層以提供pn結，以及至少部分地設置在p-型層和n-型層之間的絕緣層，該p-型層包括大量碳納米顆粒而該n-型層包括大量n-摻雜的碳納米顆粒，用光電組件吸收電磁輻射以提供光電流，並加熱熱電組件的一側從而誘導穿過該熱電組件的電壓。
在一些實施方式中，加熱電組件的一側包括將在光電組件中產生的熱轉移到熱電組件的一側。另外，在一些實施方式中，加熱熱電組件的一側包括在光電組件和熱電組件之間提供斯託克斯位移層，用斯託克斯位移層吸收電磁輻射以產生熱和電磁輻射並將產生的熱轉移到熱電組件的一側。在一些實施方式中，由斯託克斯位移層產生的電磁輻射被傳送到光電組件用於產生光電流。
通過下面非限制性實施例進一步說明這些和其他的實施方式。
實施例1
熱電裝置
通過提供加入了17.5ml的二甲基丙烯醯胺(DMA)的35mg的單壁碳納米管(SWNT)來製備第一p-型層。將獲得的混合物高能超聲處理一小時。將聚偏氟乙烯(PVDF)以基於總固體給予SWNT混合物的20重量百分比的量加入到混合物中。將獲得的SWNT/PVDF/DMA混合物高能超聲處理一小時。
將具有75mm x 45mm尺寸的載玻片用甲醇清洗並放在90℃的熱板上。將SWNT/PVDF/DMA混合物均勻地倒在載玻片上，並且允許DMA蒸發。將乾燥的SWNT/PVDF膜放置在100℃的烘箱中12小時進行退火。隨後將載玻片從烘箱中移出，並將甲醇倒在SWNT/PVDF膜上。將SWNT/PVDF膜小心地從載玻片上移去，在去離子水中洗滌，然後乾燥。
根據前述操作製備第二p-型層。此外，根據前述操作製備n-型層，不同之處在於將n-摻雜的碳納米管與DMA和PVDF結合。
根據前述操作製備兩個絕緣層。將600mg的聚丙烯(pp)以0.025ml DMA相對於1mg的聚丙烯粉末的比例加入到DMA中。超聲處理獲得的混合物，直至PP粉末溶解在DMA中。將具有75mm x 45mm尺寸的載玻片用甲醇清洗並放在90℃的熱板上。將PP/DMA混合物均勻地倒在載玻片上，然後允許DMA蒸發。將甲醇倒在得到的PP膜上，並將PP膜小心地從載玻片上移去。
隨後將這兩個p-型層、n-型層和兩個絕緣層結合以提供如圖5中說明的熱電裝置。在圖5中放大了得到的熱電裝置用於說明該裝置的各個組件。
已經描述了本發明的多個實施方式用來實現本發明的多個目的。應當理解的是這些實施方式僅是本發明原理的說明。在不偏離本發明的精神和範圍的條件下，本領域的技術人員可以容易地清楚其多種修改和改變。