原纤维太阳能电池及其制备方法、包含其的衣服和电源转让专利
申请号 : CN200510006127.5
文献号 : CN1649176B
文献日 : 2010-11-03
发明人 : 陈勇完 , 金钟玟
申请人 : 三星SDI株式会社
摘要 :
本发明提供一种原纤维太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池包括纤维状的内芯，所述内芯具有由第一碳纳米管组成的微孔性纤维和阴极材料，其中所述微孔性纤维的微孔中填有第二碳纳米管、二氧化钛、光敏染料和电子迁移电解液；光导层，其形成于纤维状内芯的表面并由至少一种光导聚合物组成；透明电极层，其形成于光导层的表面；及透明的保护层，其形成于透明电极层的表面并由至少一种透明聚合物组成。可以很便宜地利用聚合物，大批量地制备原纤维太阳能电池。此外，原纤维太阳能电池具有高效率，并且可以变换成各种形状。原纤维太阳能电池可以附着在衣服上，并且可以用作移动电子设备的便携式电源。
权利要求 :
1.一种原纤维太阳能电池，包括：
纤维状的内芯，该内芯具有由第一碳纳米管和阴极材料组成的微孔性纤维，其中所述微孔性纤维的微孔中填有第二碳纳米管、二氧化钛、光敏染料和电子迁移电解液；
光导层，其形成于纤维状内芯的表面，并且由至少一种光导聚合物组成；
透明电极层，其形成于光导层的表面；及
透明的保护层，其形成于透明电极层的表面，并且由至少一种透明的聚合物组成。
2.根据权利要求1的原纤维太阳能电池，其中所述微孔性纤维由第一碳纳米管、阴极材料和粘合剂构成的溶液形成，所述第一碳纳米管具有多重壁或者单金属壁，并且以相对于粘合剂为1～15％重量的浓度包含于纤维状的内芯中。
3.根据权利要求2的原纤维太阳能电池，其中所述多重壁为双重金属壁。
4.根据权利要求1的原纤维太阳能电池，其中所述微孔性纤维由第一碳纳米管、阴极材料和粘合剂构成的溶液形成，所述阴极材料是直径为10～50nm的锡氧化物，并且以相对于粘合剂为1～5％重量的浓度包含于纤维状的内芯中。
5.根据权利要求1的原纤维太阳能电池，其中所述第二碳纳米管具有直径为10～100nm的多重壁或者单金属壁，并且以相对于由第二碳纳米管、二氧化钛、光敏染料和电子迁移电解液构成的溶液为0.1～1％重量的浓度包含于纤维状的内芯中。
6.根据权利要求5的原纤维太阳能电池，其中所述多重壁为双重金属壁。
7.根据权利要求1的原纤维太阳能电池，其中所述二氧化钛呈微孔颗粒状，并且具有200～300m2/g的表面积及1～50nm的粒度。
8.根据权利要求1的原纤维太阳能电池，其中所述光敏染料包括含钌的络合物，含锇的络合物，或铁络合物。
9.根据权利要求1的原纤维太阳能电池，其中所述电子迁移电解液包括碘和碘化物的溶液，溴和溴化物的溶液，氢醌溶液，及传递非结合电子的过渡金属络合物的溶液。
10.根据权利要求1的原纤维太阳能电池，其中所述光导层还包含相对于光导聚合物为1～5％重量且粒度为1～50nm的锡氧化物。
11.一种制备原纤维太阳能电池的方法，包括：
由第一碳纳米管、阴极材料和粘合剂构成的溶液形成微孔性纤维，并热处理该微孔性纤维；
将该微孔性纤维浸于由第二碳纳米管、二氧化钛、光敏染料和电子迁移电解液构成的溶液中，以形成纤维状的内芯；
用光导聚合物涂布纤维的表面，并干燥和平坦化光导聚合物的表面，以形成光导层；
用铟锡氧化物涂布光导层的表面，以形成透明电极；及
用至少一种透明聚合物涂布透明电极，以形成透明的保护层，其中微孔性纤维的热处理是在400-500℃的温度下进行的。
12.根据权利要求11的方法，其中所述第一碳纳米管具有多重壁或者单金属壁，并且以相对于粘合剂为1～15％重量的浓度包含于纤维状的内芯中。
13.根据权利要求12的方法，其中所述多重壁为双重金属壁。
14.根据权利要求11的方法，其中所述阴极材料是直径为10～50nm的锡氧化物，并且以相对于粘合剂为1～5％重量的浓度包含于纤维状的内芯中。
15.根据权利要求11的方法，其中所述微孔性纤维的形成是利用选自碳酸铵、偶氮二异丁腈(AIBN)和苯磺酰肼的至少一种发泡剂进行的。
16.根据权利要求11的方法，其中所述微孔性纤维的形成包括湿纺工艺。
17.根据权利要求11的方法，其中所述第二碳纳米管具有直径为10～100nm的多重壁或者单金属壁，并且以相对于由第二碳纳米管、二氧化钛、光敏染料和电子迁移电解液构成的溶液为0.1～1％重量的浓度包含于纤维状的内芯中。
18.根据权利要求17的方法，其中所述多重壁为双重金属壁。
19.根据权利要求11的方法，其中所述二氧化钛呈微孔颗粒状，并且具有200～300m2/g的表面积及1～50nm的粒度。
20.根据权利要求11的方法，其中所述光敏染料包括含钌的络合物，含锇的络合物，或铁络合物。
21.根据权利要求11的方法，其中所述光导层还包含相对于光导聚合物为1～5％重量且粒度为1～50nm的锡氧化物。
22.包含根据权利要求1的原纤维太阳能电池的衣服。
23.包含根据权利要求1的原纤维太阳能电池的便携式电源。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，更具体地，本发明涉及一种原纤维湿式太阳能电池及其制备方法，其包含碳纳米管并且具有低制造成本、高光转换效率和良好的可成形性。
背景技术
由于污染性能源增加的全球性问题，对化石燃料如煤或石油的替代能源的兴趣日益增加。例如，太阳能电池是一种将太阳能转换成电能的装置。光电能量转换是这样实现的：将太阳能电池(p-n面结型二极管)暴露于光量子，以产生负性电子和正性空穴，并将电子和空穴迁移至电极，以产生电动势。这种太阳能电池通常根据其构成材料分类为硅太阳能电池或化合物半导体太阳能电池。
单晶硅太阳能电池是主要使用的硅太阳能电池，且通常称为干式太阳能电池。单晶硅太阳能电池的主要优点在于，它可以制得很薄。然而，由于单晶硅太阳能电池非常昂贵，所以仅由于特殊的用途，如宇航工业。较便宜的非晶硅太阳能电池可以使用，但光转换效率低。
包含CuInSe2、CdTe、GaAs及其衍生物的化合物半导体太阳能电池具有较好的特性，但其应用因为高成本、低效率和低稳定性而非常有限。
目前，已经对低成本、环境友好、容易制备和稳定的湿式太阳能电池进行了很多的讨论。
湿式太阳能电池包括半导体电极和电解液。湿式太阳能电池的典型实例是组合型太阳能电池，其具有由n-型半导体构成的结晶TiO2电极和Pt电极。如果光照射在湿式太阳能电池的结晶TiO2的表面上，则电子被激发，并迁移至导带。当电子通过导线到达Pt电极时，其与质子反应产生氢。根据典型湿式太阳能电池的原理，价带中的空穴夺取位于TiO2表面的水分子的电子。同时，空穴消失产生氧。湿式太阳能电池不是通过将水分解，而是通过外电路中的电阻器产生电能。
当由半导体构成的湿式太阳能电池吸收波长短于所需水平(即具有大于带隙能量Eg)的光能时，载流子增加，从而产生电流。然而，湿式太阳能电池不能利用低于Eg的能量。因此，由TiO2构成的带隙能量为3.2 eV的湿式太阳能电池，最多仅可以利用4％的太阳光。所以，这种湿式太阳能电池的效率非常低。
为了解决这一问题，已经提出带隙能量低于TiO2以提高光吸收效率的湿式太阳能电池。将能够吸收可见光的合乎需要的染料涂布在半导体的表面，并使波长可被该染料吸收的光照射在该表面上，致使半导体中的载流子数目增加。这种湿式太阳能电池称为染料敏化型太阳能电池或Gratzell电池。
染料敏化型太阳能电池首先被瑞士的Gratzell所开发，其使用能够吸收可见光的光敏染料，该光敏染料涂布在身为典型的n-型半导体的TiO2上。n-型半导体上的光敏染料吸收光自以激发电子，且电子通过电路经由n-型半导体进行循环。氧化还原物质接受来自异性极的电子，且光敏染料的电子返回到基态，所以该电子被再次激发。
目前，对染料敏化型太阳能电池或Gratzell电池进行了一些研究。有关染料敏化型太阳能电池的实例参见Nature vol.395，8，pp.583(1998)，US5350644、5441827和5728487，及EP 0886804A。
这些专利公开了染料敏化型太阳能电池及其制备方法。太阳能电池包括涂有与钌-二吡啶基络合物结合的TiO2的电极和电解液。通过钌-二吡啶基络合物(即光敏染料)，该太阳能电池可以由可见光产生电流。然而，该染料敏化型太阳能电池需要采用液体电解液。由于太阳能电池中的隔离物在玻璃板或塑料板之间形成间隔，且太阳能电池需要密封，所以难于制备这种太阳能电池，并且增加制造成本。此外，由于所产生的电压非常低(约0.7伏)，所以商业化这种太阳能电池还存在某些限制。
染料敏化型太阳能电池的另一实例公开于韩国待审专利公开第1997-7001433号中，其中该太阳能电池具有纤维结构并且采用ZnO和钼。由于这种太阳能电池采用玻璃纤维，所以需要涂布半导体和具有高熔点的电极，从而导致成本增加。
单晶硅太阳能电池是主要使用的硅太阳能电池，且通常称为干式太阳能电池。单晶硅太阳能电池的主要优点在于，它可以制得很薄。然而，由于单晶硅太阳能电池非常昂贵，所以仅由于特殊的用途，如宇航工业。较便宜的非晶硅太阳能电池可以使用，但光转换效率低。
包含CuInSe2、CdTe、GaAs及其衍生物的化合物半导体太阳能电池具有较好的特性，但其应用因为高成本、低效率和低稳定性而非常有限。
目前，已经对低成本、环境友好、容易制备和稳定的湿式太阳能电池进行了很多的讨论。
湿式太阳能电池包括半导体电极和电解液。湿式太阳能电池的典型实例是组合型太阳能电池，其具有由n-型半导体构成的结晶TiO2电极和Pt电极。如果光照射在湿式太阳能电池的结晶TiO2的表面上，则电子被激发，并迁移至导带。当电子通过导线到达Pt电极时，其与质子反应产生氢。根据典型湿式太阳能电池的原理，价带中的空穴夺取位于TiO2表面的水分子的电子。同时，空穴消失产生氧。湿式太阳能电池不是通过将水分解，而是通过外电路中的电阻器产生电能。
当由半导体构成的湿式太阳能电池吸收波长短于所需水平(即具有大于带隙能量Eg)的光能时，载流子增加，从而产生电流。然而，湿式太阳能电池不能利用低于Eg的能量。因此，由TiO2构成的带隙能量为3.2 eV的湿式太阳能电池，最多仅可以利用4％的太阳光。所以，这种湿式太阳能电池的效率非常低。
为了解决这一问题，已经提出带隙能量低于TiO2以提高光吸收效率的湿式太阳能电池。将能够吸收可见光的合乎需要的染料涂布在半导体的表面，并使波长可被该染料吸收的光照射在该表面上，致使半导体中的载流子数目增加。这种湿式太阳能电池称为染料敏化型太阳能电池或Gratzell电池。
染料敏化型太阳能电池首先被瑞士的Gratzell所开发，其使用能够吸收可见光的光敏染料，该光敏染料涂布在身为典型的n-型半导体的TiO2上。n-型半导体上的光敏染料吸收光自以激发电子，且电子通过电路经由n-型半导体进行循环。氧化还原物质接受来自异性极的电子，且光敏染料的电子返回到基态，所以该电子被再次激发。
目前，对染料敏化型太阳能电池或Gratzell电池进行了一些研究。有关染料敏化型太阳能电池的实例参见Nature vol.395，8，pp.583(1998)，US5350644、5441827和5728487，及EP 0886804A。
这些专利公开了染料敏化型太阳能电池及其制备方法。太阳能电池包括涂有与钌-二吡啶基络合物结合的TiO2的电极和电解液。通过钌-二吡啶基络合物(即光敏染料)，该太阳能电池可以由可见光产生电流。然而，该染料敏化型太阳能电池需要采用液体电解液。由于太阳能电池中的隔离物在玻璃板或塑料板之间形成间隔，且太阳能电池需要密封，所以难于制备这种太阳能电池，并且增加制造成本。此外，由于所产生的电压非常低(约0.7伏)，所以商业化这种太阳能电池还存在某些限制。
染料敏化型太阳能电池的另一实例公开于韩国待审专利公开第1997-7001433号中，其中该太阳能电池具有纤维结构并且采用ZnO和钼。由于这种太阳能电池采用玻璃纤维，所以需要涂布半导体和具有高熔点的电极，从而导致成本增加。
发明内容
本发明提供一种原纤维湿式太阳能电池及其制备方法，其包含碳纳米管，并且具有制造成本低、光转化效率高和可成形性优良的优点。
一方面，本发明提供一种原纤维太阳能电池，包括：纤维状的内芯，所述内芯具有由第一碳纳米管组成和阴极材料的微孔性纤维，其中所述微孔性纤维的微孔中填有第二碳纳米管、二氧化钛、光敏染料和电子迁移电解液；光导层，其形成于纤维状内芯的表面，并且由至少一种光导聚合物组成；透明电极层，其形成于光导层的表面；及透明的保护层，其形成于透明电极层的表面并由至少一种透明聚合物组成
另一方面，提供一种制备原纤维太阳能电池的方法，包括：由第一碳纳米管、阴极材料和粘合剂构成的溶液形成微孔性纤维，并热处理该微孔性纤维；将该微孔性纤维浸于由第二碳纳米管、二氧化钛、光敏染料和电子迁移电解液构成的溶液中，以形成纤维状的内芯；用光导聚合物涂布纤维的表面，并干燥和平坦化光导聚合物的表面，以形成光导层；用铟锡氧化物涂布光导层的表面，以形成透明电极；及用至少一种透明聚合物涂布透明电极，以形成透明的保护层。
再一方面，本发明提供原纤维太阳能电池的应用，例如采用原纤维太阳能电池的衣服或采用原纤维太阳能电池的便携式电源。
本发明的原纤维太阳能电池可以低成本制造，并且容易制成具有较大的尺寸。此外，该原纤维太阳能电池具有高效率，并且可以制成各种形状。因而，该原纤维太阳能电池可用于多种用途。
一方面，本发明提供一种原纤维太阳能电池，包括：纤维状的内芯，所述内芯具有由第一碳纳米管组成和阴极材料的微孔性纤维，其中所述微孔性纤维的微孔中填有第二碳纳米管、二氧化钛、光敏染料和电子迁移电解液；光导层，其形成于纤维状内芯的表面，并且由至少一种光导聚合物组成；透明电极层，其形成于光导层的表面；及透明的保护层，其形成于透明电极层的表面并由至少一种透明聚合物组成
另一方面，提供一种制备原纤维太阳能电池的方法，包括：由第一碳纳米管、阴极材料和粘合剂构成的溶液形成微孔性纤维，并热处理该微孔性纤维；将该微孔性纤维浸于由第二碳纳米管、二氧化钛、光敏染料和电子迁移电解液构成的溶液中，以形成纤维状的内芯；用光导聚合物涂布纤维的表面，并干燥和平坦化光导聚合物的表面，以形成光导层；用铟锡氧化物涂布光导层的表面，以形成透明电极；及用至少一种透明聚合物涂布透明电极，以形成透明的保护层。
再一方面，本发明提供原纤维太阳能电池的应用，例如采用原纤维太阳能电池的衣服或采用原纤维太阳能电池的便携式电源。
本发明的原纤维太阳能电池可以低成本制造，并且容易制成具有较大的尺寸。此外，该原纤维太阳能电池具有高效率，并且可以制成各种形状。因而，该原纤维太阳能电池可用于多种用途。
附图说明
通过参照附图详述其示例性实施方案，本发明的上述及其它特征和优点将会更加显而易见，在附图中：
图1A至图1E是根据本发明实施方式的原纤维太阳能电池的截面图。
图1A至图1E是根据本发明实施方式的原纤维太阳能电池的截面图。
具体实施方式
现将详述根据本发明实施方案的原纤维太阳能电池。各附图均包括纵向和横向的截面图。
在本文中，术语“原纤维太阳能电池”是指具有纤维结构的太阳能电池，这有别于现有技术的层叠结构。依据制备方法、用途等，根据本发明实施方案的原纤维太阳能电池的截面可以具有各种形状，例如，球形或椭圆形，如图1E中所示。此外，本发明的原纤维太阳能电池的长度可以依据制备方法或用途而变化。
太阳能电池的纤维状内芯6包括由第一碳纳米管3和阴极材料4组成的微孔性纤维1，微孔性纤维1(图1A)的微孔中填有第二碳纳米管8、二氧化钛10、光敏染料12和电子迁移电解液，如图1B所示。
碳纳米管3和8均具有管状，其中由6个碳原子构成的六角形碳簇彼此相连。碳纳米管3和8具有类似于铜的电导率，及类似于金刚石的热导率(金刚石的热导率在所有天然材料中是最高的)。优选碳纳米管3和8具有多重壁或者单或双重金属壁。例如，碳纳米管3和8可以根据Ennesen等人在Annual Review of Material Science，vol.24，pp.23 5中发表的题为“碳纳米管”的文章中公开的常规方法制备。
碳纳米管3和8植入纤维状的内芯6的微孔性纤维1中，并且优选其为金属碳纳米管。由于植入微孔性纤维1中的碳纳米管3具有良好的导电性，所以它促进阴极连同阴极材料4的性能。此外，碳纳米管3具有良好的耐化学品性，因此可以长时间保护电解液14中的纤维状的内芯6。考虑到这些特性，植入微孔性纤维1中的碳纳米管3相对于粘合剂而言以1～15％重量，优选以1～5％重量的浓度包含于其中。所述粘合剂可以包括例如聚乙烯醇。
纤维状的内芯6的微孔性纤维1包括阴极材料4。阴极材料可以是例如锌氧化物或锡氧化物，其中优选锡氧化物。由于本实施方案的原纤维太阳能电池采用碳纳米管3和阴极材料4，所以可以利用锡氧化物等便宜的阴极材料代替Pt等昂贵的阴极材料，仍获得良好的导电性和还原特性。优选阴极材料4(如锡氧化物)的直径为10～50nm，并且相对于粘合剂而言以1～10％重量，优选以1～5％重量的浓度包含于其中。
碳纳米管8包含于纤维状内芯6的微孔性纤维1的微孔中。碳纳米管8改善二氧化钛的导电性，这反过来又提高了根据本实施方案的原纤维太阳能电池的性能。有鉴于此，优选碳纳米管8具有多重壁或者单或双重金属壁，壁的直径为10～100nm。基于由碳纳米管8、二氧化钛10、光敏染料12和电子迁移电解液14构成的溶液，碳纳米管8以0.1～3％重量，优选以0.5～1％重量的浓度包含于其中。
包含于纤维状的内芯6中的二氧化钛10传递电子，该电子被光敏染料所吸收的太阳光中所包含的光子激发到电极上。为了有效地配合光敏染料12，优选二氧化钛10具有微孔结构，以提供较大的表面积。二氧化钛10可以具有200～300m2/g的总表面积，及1～50nm的粒度。基于由碳纳米管8、二氧化钛10、光敏染料12和电子迁移电解液14构成的溶液，二氧化钛10以70～80％重量的浓度包含于其中。
此外，纤维状的内芯6包括光敏染料12。太阳光通常具有300～2000nm的波长。光敏染料12可以吸收波长约820nm的光子，以增强光电效应。考虑到这一事实，优选本实施方案的光敏染料12包括含钌的络合物，含锇的络合物，铁络合物，或者包含2或3种过渡金属的超重元素络合物。光敏染料12中所包含的配位体可以包括二齿螯合的多吡啶基化合物，三齿螯合的多吡啶基化合物，及多齿螯合的多吡啶基化合物，且至少一种多吡啶基化合物包含氰基。本实施方案的光敏染料12的典型实例包括顺式-[二异氰根合二(4，4′-二羧酸-2，2′-二吡啶合钌(II))]，但并不仅限于此。
包含于本实施方案的纤维状内芯6中的电解液14包括氧化还原体系。优选该氧化还原体系包含碘/碘化物溶液，溴/溴化物溶液，氢醌溶液，及传递非结合电子的过渡金属络合物的溶液。优选该电解液为碘/碘化物溶液，更优选碘与碘化二甲基己基咪唑鎓的溶液。
包含于本发明的纤维状内芯6中的电解液14可以是身为有机溶剂的醇，醇的混合物，非挥发性溶剂，或者粘度降低的溶剂与非挥发性溶剂的混合物。非挥发性溶剂可以是，例如，碳酸亚丙酯，碳酸亚乙酯或甲基吡咯烷酮，但并不仅限于此。粘度降低的溶剂可以是，例如，乙腈，乙酸乙酯或四氢呋喃，但并不仅限于此。另外，还可以包括二甲亚砜和二氯乙烷作为其它溶剂。在在本实施方案的原纤维太阳能电池中，最优选使用的溶剂是乙腈。
纤维状内芯6的周围是由至少一种导电聚合物组成的光导层16，如图1C所示。光导层16通过光产生光电电流，以提高太阳能电池的电流输出，平稳地引导电流流经涂布于光导层16的表面上的透明电极层18，以提高原纤维太阳能电池的整体性能。当纤维状的内芯6通过湿纺法制备时，纤维状内芯的表面是不平整的。光导层可对纤维状内芯的表面起平整化作用。导电聚合物可以是聚乙烯基咔唑，聚吡咯，聚苯胺，聚噻吩或聚乙炔，但并不仅限于此。涂布可以如此实现：通过湿纺或熔纺法形成纤维状的内芯，热处理该纤维状的内芯，或将该纤维状的内芯浸于由二氧化钛、光敏染料和碳纳米管构成的溶液中，但并不仅限于此。
光导层16除导电聚合物之外，还可以包含锡氧化物颗粒。将锡氧化物与导电聚合物混合，产生较大的光电势。考虑到这一事实，锡氧化物可以具有1～50nm的粒度，并且可以相对于光导聚合物以1～10％重量，更优选以1～5％重量包含于其中。
本实施方案的原纤维太阳能电池包括透明电极层18，其由涂布于光导层1 6的表面上的聚合物构成，如图1D所示。透明电极层18具有高达10欧姆/cm2，优选1～10欧姆/cm2的表面电阻。构成透明电极层18的聚合物是掺杂浓度为0.8％重量的氟的二氧化锡。此外，也可以使用掺杂浓度高达5％重量的锡氧化物的铟锡氧化物(称之为ITO玻璃)作为聚合物。优选构成透明电极层18的聚合物为铟锡氧化物。
优选包含于透明电极层18中的铟锡氧化物是通过溅射法涂布在纤维上的。普通的溅射法实现如下。当靶上施加负电压时，具有与所施加电压相同能量的二次电子自靶表面溅射出来。该电子撞击在溅射室中的溅射气体(如氩气)上，使溅射气体反冲到靶表面中。如果施加于靶上的初始能量小，则大量的入射离子被中和，并且被靶吸收。这种机理导致离子植入，其中离子化的颗粒被吸引，撞击在靶表面上，从而改变靶的结构，或者导致离子散射，其中离子化的颗粒从靶表面反射回来。然而，如果初始能量大，仅仅被反射或者被吸引的离子的数目降低，而且原子自靶表面溅射出来。除了被入射在靶表面的颗粒溅射的原子之外，靶表面还溅射出二次电子。该原子和二次电子撞击在溅射气体上，导致产生等离子体的链反应。然后，溅射的原子沉积在基材上，形成薄膜。
本实施方案的原纤维太阳能电池包括位于透明电极层18的表面上的透明保护层20，如图1E所示。透明保护层20涂在电极上，并且由透明的聚合物组成。透明聚合物可以是聚邻苯二甲酸乙二酯，聚乙烯或聚萘二甲酸乙二酯，但并不仅限于此。
制备根据本发明实施方案的原纤维太阳能电池的方法包括：制备微孔性纤维；将微孔性纤维浸于溶液中，形成太阳能电池；形成光导层；及形成透明电极层和透明的保护层。
首先，由碳纳米管3、阴极材料4和粘合剂构成的溶液制备微孔性纤维1，然后进行热处理。
待制得由碳纳米管3、阴极材料4和粘合剂构成的溶液之后，通过湿纺法由该溶液制备纤维。可以使用普通的粘合剂如聚乙烯醇制备微孔性纤维1。粘合剂包含于形成纤维的溶液中，但可于热处理步骤中消除。
纤维可以通过湿纺法制备如下。首先，通过齿轮泵和喷丝头，将纺制的未稀释溶液注入固化槽中，该固化槽中装有包含溶剂的溶液。然后，通过沉淀剂与纺丝溶液中所包含溶剂以及固化溶液间的相互分散，沉淀剂渗透到纺丝溶液中。因此，聚合物、溶剂和沉淀剂发生相分离，生成沉淀，进而固化成长丝。在经过固化槽的长丝的溶剂于清洁槽中完全抽出之后，使长丝通过干燥单元、拉伸单元、加热单元和乳液处理单元，然后盘绕在绕线机上。抽出的溶剂于纯化工艺中收集和回收。
优选，纺制的未稀释溶液的浓度高达25％，因为在湿纺过程中去除溶剂的速度低。与通过干纺法制得的长丝不同，通过湿纺法制得的长丝的截面形状可以是不规则的和粗糙的。
待包含碳纳米管3和阴极材料4的纤维形成之后，对该纤维进行热处理使之具有微孔的形状。为了在纤维中制得微孔，可以将发泡剂，例如选自碳酸铵、偶氮二异丁腈(AIBN)和苯磺酰肼的至少一种，以1～10％重量的浓度(基于粘合剂如聚乙烯醇)与纤维混合，然后再进行热处理。所述热处理是在400～500℃，优选430～470℃的温度下进行的。如果热处理的温度小于400℃，则难于在纤维中形成足够的微孔。如果热处理温度大于500℃，则由于碳纳米管3的破坏而难于得到具有所需特性的太阳能电池。
然后，将微孔性纤维1浸渍于由碳纳米管8、二氧化钛10、光敏染料12和电子迁移电解液14构成的溶液中，以形成纤维状的内芯6。所述浸渍在50～80℃的温度下进行30分钟至1小时。用至少一种光导聚合物涂布纤维状内芯6的表面，然后干燥之，形成光导层16。将光导层平整化。导电聚合物可以是聚乙烯基咔唑，聚吡咯，聚苯胺，聚噻吩或聚乙炔，但并不仅限于此。
形成光导层16之后，通过溅射法在光导层16的表面涂布聚合物，以形成透明电极层18。该聚合物可以是铟锡氧化物。在透明电极层的表面涂布聚合物(该聚合物可以是聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯或聚萘二甲酸乙二酯)，以形成透明的保护层。
本发明的原纤维太阳能电池可以应用于衣服，作为可穿用的电脑。
术语“可穿用的电脑”是指小的便携式电脑，其设计成在使用时可以穿在身上。可穿用的电脑被认为是未来派的电脑，已经提出很多类型，并且已经在一些国家商业化了。
个人电脑被设计成人坐在电脑前进行操作。较小的便携式笔记本电脑是轻便的，但是被设计成用手使用。可穿用的电脑可以突破电脑的一般概念。可穿用的电脑可以集成为用户的衣服，也可以通过一些其它手段附着在身体上，就象护腕一样。可穿用的电脑也可以集成为经常穿带在身体上的日常物品，就象手表或自动对讲的电池电话一样。
商业化可穿用电脑的最重要的技术是为其提供电源。为了有效地实现可穿用电脑与用户间的整体性，可穿用的电脑应当提供充足的电源，而不需要单独的充电器，也不需要充电时间。此外，电源还应当轻便，不给用户带来不便，而且应当由环保材料制成，不给客户造成伤害。由于本发明的原纤维太阳能电池具有纤维结构，所以容易变形，适合做成衣服。另外，由于本发明的太阳能电池采用太阳光，所以可以连续地提供能量，无需大都的充电器，也不需要充电时间。再者，由于它不适用玻璃板，所以本发明的太阳能电池重量轻。而且，该太阳能电池是环境友好的，不会伤害用户。由于上述原因，可以利用本发明的原纤维太阳能电池，作为可穿用电脑的电源或便携式电源。
实施例
实施例1：原纤维湿式太阳能电池的制备
A.纤维的制备
将1克的多壁碳纳米管(CarboLex公司的商品)，3克直径为10nm的锡氧化物(Aldrich公司的商品)，及5克的碳酸铵与91克的聚乙烯醇(含水量为80％重量)混合，得到用于制造纤维的溶液。通过湿纺法纺制该溶液，制得厚度为500μm的纤维。然后，将该纤维在430℃的温度下热处理30分钟。
B.光敏染料的浸渍
将于步骤A中制备的微孔性纤维，在由1克多壁碳纳米管(CarboLex Inc.的商品)、72克微孔二氧化钛(Nano Co.Ltd.的商品、直径为10nm、表面积为250m2/g)、5克氧化钾、15克含钌染料的化合物(STI Inc.的商品)、5克乙腈溶液、1克二甲基己基碘化咪唑鎓溶液和1克碘构成的溶液中，于50℃的温度下浸渍30分钟，并在100℃的温度下干燥1小时。
C.光导层的形成和平整化
待将0.97克聚乙烯基咔唑和0.03克直径为10微米的锡氧化物溶解于100ml甲基吡咯烷酮中，制得用于形成光导层的混合物之后，将得自步骤B的纤维浸渍于该混合物中，以涂布该纤维，并在150℃的温度下干燥30分钟。
D.ITO电极的形成
室温下，于10分钟内，在于步骤C中制得的产物的表面上，溅射2000的铟锡氧化物，以涂布光导层的表面。
E.保护层的形成
待将1克的聚对苯二甲酸乙二酯溶解于1000 ml的甲基吡咯烷酮中之后，将得自步骤D的产物用该聚对苯二甲酸乙二酯进行涂布，并在150℃的温度下干燥30分钟。
试验：原纤维太阳能电池的评价
在1kW/m2和50℃的温度下，利用电压(V)-电流(I)曲线描绘仪(TechnoInc.)，测量在上述方法中制备的原纤维太阳能电池的效率。测得效率为7％，这高于常规的Gratzell电池(Sustainable Technologies International制造)(5％)。
本发明的原纤维太阳能电池可以利用便宜的聚合物大量地生产。此外，原纤维太阳能电池具有高效率并且可以制成各种形状。原纤维太阳能电池可应用于衣服，并且可以用作移动电子设备的便携式电源。
尽管已经参照附图中所述的示例性实施方案，具体地给出和说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的构思和范围的情况下，可以对本发明的形式和内容作出各种替换和修改。因此，本发明的真正构思和保护范围由下列的权利要求书来定义。
在本文中，术语“原纤维太阳能电池”是指具有纤维结构的太阳能电池，这有别于现有技术的层叠结构。依据制备方法、用途等，根据本发明实施方案的原纤维太阳能电池的截面可以具有各种形状，例如，球形或椭圆形，如图1E中所示。此外，本发明的原纤维太阳能电池的长度可以依据制备方法或用途而变化。
太阳能电池的纤维状内芯6包括由第一碳纳米管3和阴极材料4组成的微孔性纤维1，微孔性纤维1(图1A)的微孔中填有第二碳纳米管8、二氧化钛10、光敏染料12和电子迁移电解液，如图1B所示。
碳纳米管3和8均具有管状，其中由6个碳原子构成的六角形碳簇彼此相连。碳纳米管3和8具有类似于铜的电导率，及类似于金刚石的热导率(金刚石的热导率在所有天然材料中是最高的)。优选碳纳米管3和8具有多重壁或者单或双重金属壁。例如，碳纳米管3和8可以根据Ennesen等人在Annual Review of Material Science，vol.24，pp.23 5中发表的题为“碳纳米管”的文章中公开的常规方法制备。
碳纳米管3和8植入纤维状的内芯6的微孔性纤维1中，并且优选其为金属碳纳米管。由于植入微孔性纤维1中的碳纳米管3具有良好的导电性，所以它促进阴极连同阴极材料4的性能。此外，碳纳米管3具有良好的耐化学品性，因此可以长时间保护电解液14中的纤维状的内芯6。考虑到这些特性，植入微孔性纤维1中的碳纳米管3相对于粘合剂而言以1～15％重量，优选以1～5％重量的浓度包含于其中。所述粘合剂可以包括例如聚乙烯醇。
纤维状的内芯6的微孔性纤维1包括阴极材料4。阴极材料可以是例如锌氧化物或锡氧化物，其中优选锡氧化物。由于本实施方案的原纤维太阳能电池采用碳纳米管3和阴极材料4，所以可以利用锡氧化物等便宜的阴极材料代替Pt等昂贵的阴极材料，仍获得良好的导电性和还原特性。优选阴极材料4(如锡氧化物)的直径为10～50nm，并且相对于粘合剂而言以1～10％重量，优选以1～5％重量的浓度包含于其中。
碳纳米管8包含于纤维状内芯6的微孔性纤维1的微孔中。碳纳米管8改善二氧化钛的导电性，这反过来又提高了根据本实施方案的原纤维太阳能电池的性能。有鉴于此，优选碳纳米管8具有多重壁或者单或双重金属壁，壁的直径为10～100nm。基于由碳纳米管8、二氧化钛10、光敏染料12和电子迁移电解液14构成的溶液，碳纳米管8以0.1～3％重量，优选以0.5～1％重量的浓度包含于其中。
包含于纤维状的内芯6中的二氧化钛10传递电子，该电子被光敏染料所吸收的太阳光中所包含的光子激发到电极上。为了有效地配合光敏染料12，优选二氧化钛10具有微孔结构，以提供较大的表面积。二氧化钛10可以具有200～300m2/g的总表面积，及1～50nm的粒度。基于由碳纳米管8、二氧化钛10、光敏染料12和电子迁移电解液14构成的溶液，二氧化钛10以70～80％重量的浓度包含于其中。
此外，纤维状的内芯6包括光敏染料12。太阳光通常具有300～2000nm的波长。光敏染料12可以吸收波长约820nm的光子，以增强光电效应。考虑到这一事实，优选本实施方案的光敏染料12包括含钌的络合物，含锇的络合物，铁络合物，或者包含2或3种过渡金属的超重元素络合物。光敏染料12中所包含的配位体可以包括二齿螯合的多吡啶基化合物，三齿螯合的多吡啶基化合物，及多齿螯合的多吡啶基化合物，且至少一种多吡啶基化合物包含氰基。本实施方案的光敏染料12的典型实例包括顺式-[二异氰根合二(4，4′-二羧酸-2，2′-二吡啶合钌(II))]，但并不仅限于此。
包含于本实施方案的纤维状内芯6中的电解液14包括氧化还原体系。优选该氧化还原体系包含碘/碘化物溶液，溴/溴化物溶液，氢醌溶液，及传递非结合电子的过渡金属络合物的溶液。优选该电解液为碘/碘化物溶液，更优选碘与碘化二甲基己基咪唑鎓的溶液。
包含于本发明的纤维状内芯6中的电解液14可以是身为有机溶剂的醇，醇的混合物，非挥发性溶剂，或者粘度降低的溶剂与非挥发性溶剂的混合物。非挥发性溶剂可以是，例如，碳酸亚丙酯，碳酸亚乙酯或甲基吡咯烷酮，但并不仅限于此。粘度降低的溶剂可以是，例如，乙腈，乙酸乙酯或四氢呋喃，但并不仅限于此。另外，还可以包括二甲亚砜和二氯乙烷作为其它溶剂。在在本实施方案的原纤维太阳能电池中，最优选使用的溶剂是乙腈。
纤维状内芯6的周围是由至少一种导电聚合物组成的光导层16，如图1C所示。光导层16通过光产生光电电流，以提高太阳能电池的电流输出，平稳地引导电流流经涂布于光导层16的表面上的透明电极层18，以提高原纤维太阳能电池的整体性能。当纤维状的内芯6通过湿纺法制备时，纤维状内芯的表面是不平整的。光导层可对纤维状内芯的表面起平整化作用。导电聚合物可以是聚乙烯基咔唑，聚吡咯，聚苯胺，聚噻吩或聚乙炔，但并不仅限于此。涂布可以如此实现：通过湿纺或熔纺法形成纤维状的内芯，热处理该纤维状的内芯，或将该纤维状的内芯浸于由二氧化钛、光敏染料和碳纳米管构成的溶液中，但并不仅限于此。
光导层16除导电聚合物之外，还可以包含锡氧化物颗粒。将锡氧化物与导电聚合物混合，产生较大的光电势。考虑到这一事实，锡氧化物可以具有1～50nm的粒度，并且可以相对于光导聚合物以1～10％重量，更优选以1～5％重量包含于其中。
本实施方案的原纤维太阳能电池包括透明电极层18，其由涂布于光导层1 6的表面上的聚合物构成，如图1D所示。透明电极层18具有高达10欧姆/cm2，优选1～10欧姆/cm2的表面电阻。构成透明电极层18的聚合物是掺杂浓度为0.8％重量的氟的二氧化锡。此外，也可以使用掺杂浓度高达5％重量的锡氧化物的铟锡氧化物(称之为ITO玻璃)作为聚合物。优选构成透明电极层18的聚合物为铟锡氧化物。
优选包含于透明电极层18中的铟锡氧化物是通过溅射法涂布在纤维上的。普通的溅射法实现如下。当靶上施加负电压时，具有与所施加电压相同能量的二次电子自靶表面溅射出来。该电子撞击在溅射室中的溅射气体(如氩气)上，使溅射气体反冲到靶表面中。如果施加于靶上的初始能量小，则大量的入射离子被中和，并且被靶吸收。这种机理导致离子植入，其中离子化的颗粒被吸引，撞击在靶表面上，从而改变靶的结构，或者导致离子散射，其中离子化的颗粒从靶表面反射回来。然而，如果初始能量大，仅仅被反射或者被吸引的离子的数目降低，而且原子自靶表面溅射出来。除了被入射在靶表面的颗粒溅射的原子之外，靶表面还溅射出二次电子。该原子和二次电子撞击在溅射气体上，导致产生等离子体的链反应。然后，溅射的原子沉积在基材上，形成薄膜。
本实施方案的原纤维太阳能电池包括位于透明电极层18的表面上的透明保护层20，如图1E所示。透明保护层20涂在电极上，并且由透明的聚合物组成。透明聚合物可以是聚邻苯二甲酸乙二酯，聚乙烯或聚萘二甲酸乙二酯，但并不仅限于此。
制备根据本发明实施方案的原纤维太阳能电池的方法包括：制备微孔性纤维；将微孔性纤维浸于溶液中，形成太阳能电池；形成光导层；及形成透明电极层和透明的保护层。
首先，由碳纳米管3、阴极材料4和粘合剂构成的溶液制备微孔性纤维1，然后进行热处理。
待制得由碳纳米管3、阴极材料4和粘合剂构成的溶液之后，通过湿纺法由该溶液制备纤维。可以使用普通的粘合剂如聚乙烯醇制备微孔性纤维1。粘合剂包含于形成纤维的溶液中，但可于热处理步骤中消除。
纤维可以通过湿纺法制备如下。首先，通过齿轮泵和喷丝头，将纺制的未稀释溶液注入固化槽中，该固化槽中装有包含溶剂的溶液。然后，通过沉淀剂与纺丝溶液中所包含溶剂以及固化溶液间的相互分散，沉淀剂渗透到纺丝溶液中。因此，聚合物、溶剂和沉淀剂发生相分离，生成沉淀，进而固化成长丝。在经过固化槽的长丝的溶剂于清洁槽中完全抽出之后，使长丝通过干燥单元、拉伸单元、加热单元和乳液处理单元，然后盘绕在绕线机上。抽出的溶剂于纯化工艺中收集和回收。
优选，纺制的未稀释溶液的浓度高达25％，因为在湿纺过程中去除溶剂的速度低。与通过干纺法制得的长丝不同，通过湿纺法制得的长丝的截面形状可以是不规则的和粗糙的。
待包含碳纳米管3和阴极材料4的纤维形成之后，对该纤维进行热处理使之具有微孔的形状。为了在纤维中制得微孔，可以将发泡剂，例如选自碳酸铵、偶氮二异丁腈(AIBN)和苯磺酰肼的至少一种，以1～10％重量的浓度(基于粘合剂如聚乙烯醇)与纤维混合，然后再进行热处理。所述热处理是在400～500℃，优选430～470℃的温度下进行的。如果热处理的温度小于400℃，则难于在纤维中形成足够的微孔。如果热处理温度大于500℃，则由于碳纳米管3的破坏而难于得到具有所需特性的太阳能电池。
然后，将微孔性纤维1浸渍于由碳纳米管8、二氧化钛10、光敏染料12和电子迁移电解液14构成的溶液中，以形成纤维状的内芯6。所述浸渍在50～80℃的温度下进行30分钟至1小时。用至少一种光导聚合物涂布纤维状内芯6的表面，然后干燥之，形成光导层16。将光导层平整化。导电聚合物可以是聚乙烯基咔唑，聚吡咯，聚苯胺，聚噻吩或聚乙炔，但并不仅限于此。
形成光导层16之后，通过溅射法在光导层16的表面涂布聚合物，以形成透明电极层18。该聚合物可以是铟锡氧化物。在透明电极层的表面涂布聚合物(该聚合物可以是聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯或聚萘二甲酸乙二酯)，以形成透明的保护层。
本发明的原纤维太阳能电池可以应用于衣服，作为可穿用的电脑。
术语“可穿用的电脑”是指小的便携式电脑，其设计成在使用时可以穿在身上。可穿用的电脑被认为是未来派的电脑，已经提出很多类型，并且已经在一些国家商业化了。
个人电脑被设计成人坐在电脑前进行操作。较小的便携式笔记本电脑是轻便的，但是被设计成用手使用。可穿用的电脑可以突破电脑的一般概念。可穿用的电脑可以集成为用户的衣服，也可以通过一些其它手段附着在身体上，就象护腕一样。可穿用的电脑也可以集成为经常穿带在身体上的日常物品，就象手表或自动对讲的电池电话一样。
商业化可穿用电脑的最重要的技术是为其提供电源。为了有效地实现可穿用电脑与用户间的整体性，可穿用的电脑应当提供充足的电源，而不需要单独的充电器，也不需要充电时间。此外，电源还应当轻便，不给用户带来不便，而且应当由环保材料制成，不给客户造成伤害。由于本发明的原纤维太阳能电池具有纤维结构，所以容易变形，适合做成衣服。另外，由于本发明的太阳能电池采用太阳光，所以可以连续地提供能量，无需大都的充电器，也不需要充电时间。再者，由于它不适用玻璃板，所以本发明的太阳能电池重量轻。而且，该太阳能电池是环境友好的，不会伤害用户。由于上述原因，可以利用本发明的原纤维太阳能电池，作为可穿用电脑的电源或便携式电源。
实施例
实施例1：原纤维湿式太阳能电池的制备
A.纤维的制备
将1克的多壁碳纳米管(CarboLex公司的商品)，3克直径为10nm的锡氧化物(Aldrich公司的商品)，及5克的碳酸铵与91克的聚乙烯醇(含水量为80％重量)混合，得到用于制造纤维的溶液。通过湿纺法纺制该溶液，制得厚度为500μm的纤维。然后，将该纤维在430℃的温度下热处理30分钟。
B.光敏染料的浸渍
将于步骤A中制备的微孔性纤维，在由1克多壁碳纳米管(CarboLex Inc.的商品)、72克微孔二氧化钛(Nano Co.Ltd.的商品、直径为10nm、表面积为250m2/g)、5克氧化钾、15克含钌染料的化合物(STI Inc.的商品)、5克乙腈溶液、1克二甲基己基碘化咪唑鎓溶液和1克碘构成的溶液中，于50℃的温度下浸渍30分钟，并在100℃的温度下干燥1小时。
C.光导层的形成和平整化
待将0.97克聚乙烯基咔唑和0.03克直径为10微米的锡氧化物溶解于100ml甲基吡咯烷酮中，制得用于形成光导层的混合物之后，将得自步骤B的纤维浸渍于该混合物中，以涂布该纤维，并在150℃的温度下干燥30分钟。
D.ITO电极的形成
室温下，于10分钟内，在于步骤C中制得的产物的表面上，溅射2000的铟锡氧化物，以涂布光导层的表面。
E.保护层的形成
待将1克的聚对苯二甲酸乙二酯溶解于1000 ml的甲基吡咯烷酮中之后，将得自步骤D的产物用该聚对苯二甲酸乙二酯进行涂布，并在150℃的温度下干燥30分钟。
试验：原纤维太阳能电池的评价
在1kW/m2和50℃的温度下，利用电压(V)-电流(I)曲线描绘仪(TechnoInc.)，测量在上述方法中制备的原纤维太阳能电池的效率。测得效率为7％，这高于常规的Gratzell电池(Sustainable Technologies International制造)(5％)。
本发明的原纤维太阳能电池可以利用便宜的聚合物大量地生产。此外，原纤维太阳能电池具有高效率并且可以制成各种形状。原纤维太阳能电池可应用于衣服，并且可以用作移动电子设备的便携式电源。
尽管已经参照附图中所述的示例性实施方案，具体地给出和说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的构思和范围的情况下，可以对本发明的形式和内容作出各种替换和修改。因此，本发明的真正构思和保护范围由下列的权利要求书来定义。