CN105977312B - 一种具有光合作用的生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种具有光合作用的生物反应器，包括生物反应器、太阳能光伏板、蓄电器、温控装置和相变盒体；所述生物反应器固设于相变盒体内部；所述蓄电器和温控装置电性连接，所述太阳能光伏板与蓄电器连接所述蓄电器内装设有太阳能电池组件，所述太阳能电池组件主要由黑硅太阳能电池和蓄电池组成。太阳能电池组件重复性好，使装置的维护成本大为降低，具有很大的应用前景。

Description

一种具有光合作用的生物反应器
技术领域
本申请涉及生物反应器领域，尤其涉及一种具有光合作用的生物反应器。
背景技术
随着经济的快速发展，人们对生活质量的要求越来越高。恒温的生物反应器具有很多用途，可以满足处理多种水质的需求。
然而相关技术中用于生物反应器存在以下技术问题：生物反应器的温度不恒定，用于提供电力来源的蓄电器发生故障时，影响反应器运行。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种具有光合作用的生物反应器。
本发明提供了一种具有光合作用的生物反应器，其特征在于：包括生物反应器、太阳能光伏板、蓄电器、温控装置和相变盒体；所述生物反应器固设于相变盒体内部；所述蓄电器和温控装置电性连接，所述太阳能光伏板与蓄电器连接；所述生物反应器分为第一过滤室和第二过滤室，所述第一过滤室和所述第二过滤室的底部分别设置有第一曝气器和第二曝气器，所述第一曝气器和所述第二曝气器的一端分别连接有电动风机；所述第一过滤室和所述第二过滤室通过平板过滤膜板分隔开来，所述第一过滤室的入口处连接有进水管；位于所述第二曝气器的上部设置有纤维膜，所述第二过滤室的出口处设置有出水管，所述出水管一端设置有电磁阀，另一端设置有电动风机；所述蓄电器内装设有太阳能电池组件，所述太阳能电池组件主要由黑硅太阳能电池和蓄电池组成。
优选地，所述相变盒体包括相变保温层和绝热保温层。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十二碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十四碳石蜡。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1.本发明的实施例提供了一种具有光合作用的生物反应器，由于该装置采用了黑硅太阳能电池作为其运转的电源，在制备黑硅太阳能电池过程中，采用Cu/Ni合金膜辅助化学法刻蚀制备黑硅结构，采用该方法在金字塔结构的硅片表面腐蚀出合适深度的纳米结构，有效降低可见光的反射率到1％以下，同时能够有效降低载流子的复合率，同时采用SiO2/Al2O3/SiNX薄膜作为叠层钝化膜，有效降低了太阳光的反射率，提高了载流子的寿命。进而采用该黑硅结构制成的太阳能电池的吸光效率提高，使该生物反应器的使用寿命提高。
2.本发明的实施例提供了一种具有光合作用的生物反应器，在其使用的电源中采用黑硅太阳能电池，由于采用SiO2/Al2O3/SiNX薄膜作为叠层钝化膜，该结构薄膜有效提高了载流子的寿命，同时结合电极缓冲层的使用，有效提升了太阳能电池的效率，测试得到最高太阳能电池转换效率达到20.78％。进而，使电源使用寿命延长，节省了更换电池所需的人力和物力成本；此外，在制备太阳能电池的过程中，由于将Fe3O4磁性纳米粒子掺杂到P3HT:PCBM光活性层中，增加自由载流子浓度，提高电池的短路电流，提高黑硅太阳能电池的能量转换效率；结构简单，生产工艺简单，成本低，因此，在提升电池转换效率的同时降低了制造成本，具有大规模运用于生成实际中的潜力。进而使生物反应器的制作成本和使用效率都得到大幅度的提高。
3.本发明的实施例提供了一种具有光合作用的生物反应器，由于采用将黑硅太阳能电池作为驱动电机的存储电源，当发生断电等情况时，装置也能够正常运转，减小了装置发生故障的几率，节省了维修成本和人工查看时间，提高了企业的运转效率。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明的结构示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的本发明采用的黑硅太阳能电池模块的制备工艺流程框图。
图3为本发明采用的硅片表面金字塔结构示意图。
图4为本发明采用的黑硅结构表面薄膜示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
随着矿物能源的日益短缺和环境污染加重，充分利用包括太阳能在内的可再生能源越来越受到人们的关注。目前工业太阳电池生产成本较高，制约了太阳能发电的普及应用。因此为了使太阳电池在全球范围内能得到广泛使用，我们必须利用新工艺新技术改进和研发新型太阳电池，进一步降低生产成本提高光电转换效率。
太阳电池是把光能转化为电能的器件，在已量产的化合物类太阳电池中，碲化镉太阳电池的转换效率最高，但其原料中使用的镉为有害物质，使用后可能造成环境污染，因此限制了该类电池的广泛使用。晶体硅电池是目前应用最广并且最为成熟的一种电池，但是现有的晶体硅电池由于结构复杂，生产工艺难度较大，成本过高，并没有应用于大规模的工业生产中。因此，在提升电池转换效率的同时降低制造成本才是推进光伏应用的关键因素。
高效率低成本太阳电池技术是普及光伏发电的关键因素。黑硅的发现及黑硅电池技术的发展，为低成本高效率电池的研发提供了有效的解决思路。由于特殊的表面纳米结构使黑硅电池的载流子复合远高于普通单晶硅电池，从而导致目前黑硅电池效率并没有达到人们的预期。
研究发现，将Fe3O4磁性纳米粒子掺杂到P3HT:PCBM光活性层中，由于Fe3O4磁性纳米粒子具有超顺磁性，在电磁相互作用下产生的磁场提高了P3HT:PCBM光活性层内三线态激子所占的比例，产生更多的自由载流子，使自由载流子浓度增加，可提高电池的短路电流，进而提高聚合物太阳能电池的能量转换效率。
实施例1：
图1是根据一示例性实施例示出的一种具有光合作用的生物反应器的结构示意图，如图1所示，一种具有光合作用的生物反应器，包括生物反应器1、太阳能光伏板9、蓄电器8、温控装置10和相变盒体；所述生物反应器1固设于相变盒体内部；所述蓄电器8和温控装置10电性连接，所述太阳能光伏板9与蓄电器8连接；所述生物反应器1分为第一过滤室和第二过滤室，所述第一过滤室和所述第二过滤室的底部分别设置有第一曝气器2和第二曝气器4，所述第一曝气器2和所述第二曝气器4的一端分别连接有电动风机；所述第一过滤室和所述第二过滤室通过平板过滤膜板3分隔开来，所述第一过滤室的入口处连接有进水管7；位于所述第二曝气器4的上部设置有纤维膜5，所述第二过滤室的出口处设置有出水管，所述出水管一端设置有电磁阀11，另一端设置有电动风机6；所述蓄电器8内装设有太阳能电池组件，所述太阳能电池组件主要由黑硅太阳能电池和蓄电池组成。
优选地，所述相变盒体包括相变保温层和绝热保温层。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十二碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十四碳石蜡。
优选地，所述黑硅太阳能电池基于P型硅片的黑硅结构，该黑硅结构为在硅片表面金字塔结构基础上利用Cu/Ni合金膜的辅助化学法刻蚀制备；所述黑硅结构上面依次为扩散层、光活性层、SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜、电极缓冲层和上电极；所述光活性层掺杂有Fe3O4磁性纳米粒子；所述黑硅结构下面依次为电极缓冲层、下电极；所述SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜的厚度约70nm。
作为优选，所述黑硅太阳能电池为基于如图3所示的P型硅片的黑硅结构，该黑硅结构为在硅片表面金字塔结构基础上利用Cu/Ni合金膜的辅助化学法刻蚀制备，在本实施例中，该金字塔结构为在2.8wt.％的NaOH和7vol.％的异丙醇混合溶液中腐蚀得到。
所述黑硅结构上面依次为如图4所示的扩散层01、光活性层02、SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜03、电极缓冲层04和上电极05；所述光活性层02掺杂有Fe3O4磁性纳米粒子；所述黑硅结构下面依次为电极缓冲层、下电极；所述SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜的厚度约70nm。其中，所述扩散层01为使用三氯氧磷为掺杂磷元素扩散源。
图2是根据一示例性实施例示出的一种具有光合作用的生物反应器所采用的黑硅太阳能电池组件的制备方法，参看图2，包括以下步骤：
步骤一，清洗硅片：取一定尺寸P型硅片，将硅片浸泡在硫酸:双氧水＝3:2(体积比)的混合溶液中并进行超声处理5min，将硅片浸入15vol％HF溶液，然后采用去离子水对硅片冲洗2min，接着将硅片置于0.5wt.％的HF溶液中漂洗1min，以去掉硅片表面自然氧化层，最后用去离子水冲洗2min；
步骤二，制备金字塔结构：配制2.8wt.％的NaOH和7vol.％的异丙醇混合溶液，将硅片置于混合溶液中于80℃下超声腐蚀1h，在硅片表面得到金字塔减反结构；
步骤三，制备黑硅结构：将硅片放置于磁控溅射仪中，抽真空至1.2×10-4Pa以下，同时磁控溅射Cu靶、Ni靶，功率分别为140W、120W，磁控溅射Cu靶、Ni靶时间为5min，使其形成Cu/Ni合金膜；将上述溅射有Cu/Ni合金膜的硅片放置于2.7M H2O2和8.3M HF的混合溶液中，在92℃下腐蚀100min，使硅片表面腐蚀出硅纳米结构，即黑硅结构，腐蚀完后用盐酸溶液对其进行清洗，去除残留的Ni颗粒，最后用去离子水清洗硅片；
步骤四，制备黑硅太阳电池：
1)将制备好的硅片，采用三氯氧磷液态源扩散形成扩散层，扩散温度为800℃～1150℃；采用四氟化碳和氧气的等离子体周边刻蚀，将硅片的边缘的扩散层去除，使上下两面隔断，然后利用低浓度氢氟酸溶液(3vol％)对硅片清洗30s去除磷硅玻璃；
2)按Fe3O4:P3HT:PCBM＝0.018:1:0.8的质量比将Fe3O4磁性纳米粒子掺杂到光活性层溶液中，掺杂浓度为1％，然后将硅片置于上述光活性层溶液中，超声振荡30min，在硅片表面覆盖一层光活性层；
其中，Fe3O4磁性纳米粒子采用液相共沉淀方法制备如下：将0.85g(3.1mmol)FeCl3·6H2O与0.3g(1.5mmol)FeCl2·4H2O，在氮气保护下溶解于200ml超纯水中制成铁盐混合溶液；80℃下，强烈磁力搅拌，将2ml质量浓度为25％的氢氧化氨溶液缓慢加入铁盐混合溶液中，当溶液值升高到7～8时，铁盐水解产生大量黑色的Fe3O4磁性纳米粒子，继续滴加氢氧化氦至pH＝9反应3h，使水解趋于完全；将黑色Fe3O4磁性纳米粒子用磁铁从溶液分离出来，超纯水洗涤，然后分散于200ml超纯水中，加入2ml质量浓度为25％的氢氧化氨溶液和1ml油酸，于80℃恒温强烈磁力搅拌1h。最后向溶液中缓慢加入质量浓度为36％的浓盐酸，直至烧瓶中产生块状沉淀，将块状沉淀用磁铁收集后再用乙醇清洗3次，去除未反应的油酸，得到油酸修饰的Fe3O4磁性纳米粒子；
3)采用高温热氧化法，将上述所得的硅片载入高温氧化炉，向炉内通入氧气，使硅片在氧化氛围中，表面逐渐被氧化生成5～10nm厚的SiO2，然后将该硅片放入磁控溅射仪中，利用反应磁控溅射方法首先蒸镀一层Al2O3薄膜，厚度约40nm，然后再利用PECVD法沉积一层氮化硅，使其形成SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜；
4)制备电极缓冲层：利用射频磁控溅射方法，分别在硅片上表面和下表面沉积一层Cr膜，厚度为100nm，作为上下电极的缓冲层；
5)制备电极：采用丝网印刷的方法，分别制作黑硅太阳能电池的上下电极和背电场，最后对黑硅太阳能电池烧结，使电极与硅形成良好的欧姆接触，然后将导线连接至上下电极。
测试结果：
在AM1.5标准模拟光源照射条件的黑硅电池特性：
开路电压为0.965V，短路电流为58.36mA/cm2，填充因子为80.63％；黑硅电池对太阳光的反射率为0.84％。
使用QSSPC测量电池的载流子寿命，当注入载流子浓度△n＝1015cm-3时，有效少数载流子寿命为10.9μs。
测试得到该LED路灯的太阳能转换效率为20.78％，对太阳光的反射率约0.84％，经过3000次重复测试，转化效率变化量小于9％，该LED路灯的转换效率高，重复性好。
实施例2
图1是根据一示例性实施例示出的一种具有光合作用的生物反应器的结构示意图，如图1所示，一种具有光合作用的生物反应器，包括生物反应器1、太阳能光伏板9、蓄电器8、温控装置10和相变盒体；所述生物反应器1固设于相变盒体内部；所述蓄电器8和温控装置10电性连接，所述太阳能光伏板9与蓄电器8连接；所述生物反应器1分为第一过滤室和第二过滤室，所述第一过滤室和所述第二过滤室的底部分别设置有第一曝气器2和第二曝气器4，所述第一曝气器2和所述第二曝气器4的一端分别连接有电动风机；所述第一过滤室和所述第二过滤室通过平板过滤膜板3分隔开来，所述第一过滤室的入口处连接有进水管7；位于所述第二曝气器4的上部设置有纤维膜5，所述第二过滤室的出口处设置有出水管，所述出水管一端设置有电磁阀11，另一端设置有电动风机6；所述蓄电器8内装设有太阳能电池组件，所述太阳能电池组件主要由黑硅太阳能电池和蓄电池组成。
优选地，所述相变盒体包括相变保温层和绝热保温层。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十二碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十四碳石蜡。
优选地，所述黑硅太阳能电池基于P型硅片的黑硅结构，该黑硅结构为在硅片表面金字塔结构基础上利用Cu/Ni合金膜的辅助化学法刻蚀制备；所述黑硅结构上面依次为扩散层、光活性层、SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜、电极缓冲层和上电极；所述光活性层掺杂有Fe3O4磁性纳米粒子；所述黑硅结构下面依次为电极缓冲层、下电极；所述SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜的厚度约70nm。
作为优选，所述太阳能电池为基于如图3所示的P型硅片的黑硅结构，该黑硅结构为在硅片表面金字塔结构基础上利用Cu/Ni合金膜的辅助化学法刻蚀制备，在本实施例中，该金字塔结构为在2.8wt.％的NaOH和7vol.％的异丙醇混合溶液中腐蚀得到。
所述黑硅结构上面依次为如图4所示的扩散层01、光活性层02、SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜03、电极缓冲层04和上电极05；所述光活性层02掺杂有Fe3O4磁性纳米粒子；所述黑硅结构下面依次为电极缓冲层、下电极；所述SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜的厚度约70nm。其中，所述扩散层01为使用三氯氧磷为掺杂磷元素扩散源。
图2是根据一示例性实施例示出的一种具有光合作用的生物反应器所采用的黑硅太阳能电池组件的制备方法，参看图2，包括以下步骤：
步骤一，清洗硅片：取一定尺寸P型硅片，将硅片浸泡在硫酸:双氧水＝3:2(体积比)的混合溶液中并进行超声处理5min，将硅片浸入15vol％HF溶液，然后采用去离子水对硅片冲洗2min，接着将硅片置于0.5wt.％的HF溶液中漂洗1min，以去掉硅片表面自然氧化层，最后用去离子水冲洗2min；
步骤二，制备金字塔结构：配制2.8wt.％的NaOH和7vol.％的异丙醇混合溶液，将硅片置于混合溶液中于80℃下超声腐蚀1h，在硅片表面得到金字塔减反结构；
步骤三，制备黑硅结构：将硅片放置于磁控溅射仪中，抽真空至1.2×10-4Pa以下，同时磁控溅射Cu靶、Ni靶，功率分别为140W、120W，磁控溅射Cu靶、Ni靶时间为5min，使其形成Cu/Ni合金膜；将上述溅射有Cu/Ni合金膜的硅片放置于2.7M H2O2和8.3M HF的混合溶液中，在92℃下腐蚀100min，使硅片表面腐蚀出硅纳米结构，即黑硅结构，腐蚀完后用盐酸溶液对其进行清洗，去除残留的Ni颗粒，最后用去离子水清洗硅片；
步骤四，制备黑硅太阳电池：
1)将制备好的硅片，采用三氯氧磷液态源扩散形成扩散层，扩散温度为800℃～1150℃；采用四氟化碳和氧气的等离子体周边刻蚀，将硅片的边缘的扩散层去除，使上下两面隔断，然后利用低浓度氢氟酸溶液(3vol％)对硅片清洗30s去除磷硅玻璃；
2)按Fe3O4:P3HT:PCBM＝0.018:1:0.8的质量比将Fe3O4磁性纳米粒子掺杂到光活性层溶液中，掺杂浓度为1％，然后将硅片置于上述光活性层溶液中，超声振荡30min，在硅片表面覆盖一层光活性层；
其中，Fe3O4磁性纳米粒子采用液相共沉淀方法制备如下：将0.85g(3.1mmol)FeCl3·6H2O与0.3g(1.5mmol)FeCl2·4H2O，在氮气保护下溶解于200ml超纯水中制成铁盐混合溶液；80℃下，强烈磁力搅拌，将2ml质量浓度为25％的氢氧化氨溶液缓慢加入铁盐混合溶液中，当溶液值升高到7～8时，铁盐水解产生大量黑色的Fe3O4磁性纳米粒子，继续滴加氢氧化氦至pH＝9反应3h，使水解趋于完全；将黑色Fe3O4磁性纳米粒子用磁铁从溶液分离出来，超纯水洗涤，然后分散于200ml超纯水中，加入2ml质量浓度为25％的氢氧化氨溶液和1ml油酸，于80℃恒温强烈磁力搅拌1h。最后向溶液中缓慢加入质量浓度为36％的浓盐酸，直至烧瓶中产生块状沉淀，将块状沉淀用磁铁收集后再用乙醇清洗3次，去除未反应的油酸，得到油酸修饰的Fe3O4磁性纳米粒子；
3)采用高温热氧化法，将上述所得的硅片载入高温氧化炉，向炉内通入氧气，使硅片在氧化氛围中，表面逐渐被氧化生成5～10nm厚的SiO2，然后将该硅片放入磁控溅射仪中，利用反应磁控溅射方法首先蒸镀一层Al2O3薄膜，厚度约40nm，然后再利用PECVD法沉积一层氮化硅，使其形成SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜；
4)制备电极缓冲层：利用射频磁控溅射方法，分别在硅片上表面和下表面沉积一层Cr膜，厚度为100nm，作为上下电极的缓冲层；
5)制备电极：采用丝网印刷的方法，分别制作黑硅太阳能电池的上下电极和背电场，最后对黑硅太阳能电池烧结，使电极与硅形成良好的欧姆接触，然后将导线连接至上下电极。
测试结果：
在AM1.5标准模拟光源照射条件的黑硅电池特性：
短路电流为58.36mA/cm2，填充因子为80.63％；黑硅电池反射率为1.5％。使用QSSPC测量电池的载流子寿命，当注入载流子浓度△n＝1015cm-3时，有效少数载流子寿命为10.9μs。
测试得到该LED路灯的太阳能转换效率为21.78％，对太阳光的反射率约1.5％，经过3000次重复测试，转化效率变化量小于10％，该LED路灯的转换效率高，重复性好。
实施例3
图1是根据一示例性实施例示出的一种具有光合作用的生物反应器的结构示意图，如图1所示，一种具有光合作用的生物反应器，包括生物反应器1、太阳能光伏板9、蓄电器8、温控装置10和相变盒体；所述生物反应器1固设于相变盒体内部；所述蓄电器8和温控装置10电性连接，所述太阳能光伏板9与蓄电器8连接；所述生物反应器1分为第一过滤室和第二过滤室，所述第一过滤室和所述第二过滤室的底部分别设置有第一曝气器2和第二曝气器4，所述第一曝气器2和所述第二曝气器4的一端分别连接有电动风机；所述第一过滤室和所述第二过滤室通过平板过滤膜板3分隔开来，所述第一过滤室的入口处连接有进水管7；位于所述第二曝气器4的上部设置有纤维膜5，所述第二过滤室的出口处设置有出水管，所述出水管一端设置有电磁阀11，另一端设置有电动风机6；所述蓄电器8内装设有太阳能电池组件，所述太阳能电池组件主要由黑硅太阳能电池和蓄电池组成。
优选地，所述相变盒体包括相变保温层和绝热保温层。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十二碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十四碳石蜡。
优选地，所述黑硅太阳能电池基于P型硅片的黑硅结构，该黑硅结构为在硅片表面金字塔结构基础上利用Cu/Ni合金膜的辅助化学法刻蚀制备；所述黑硅结构上面依次为扩散层、光活性层、SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜、电极缓冲层和上电极；所述光活性层掺杂有Fe3O4磁性纳米粒子；所述黑硅结构下面依次为电极缓冲层、下电极；所述SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜的厚度约70nm。
作为优选，所述黑硅太阳能电池为基于如图3所示的P型硅片的黑硅结构，该黑硅结构为在硅片表面金字塔结构基础上利用Cu/Ni合金膜的辅助化学法刻蚀制备，在本实施例中，该金字塔结构为在2.8wt.％的NaOH和7vol.％的异丙醇混合溶液中腐蚀得到。
所述黑硅结构上面依次为如图4所示的扩散层01、光活性层02、SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜03、电极缓冲层04和上电极05；所述光活性层02掺杂有Fe3O4磁性纳米粒子；所述黑硅结构下面依次为电极缓冲层、下电极；所述SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜的厚度约70nm。其中，所述扩散层01为使用三氯氧磷为掺杂磷元素扩散源。
图2是根据一示例性实施例示出的一种具有光合作用的生物反应器所采用的黑硅太阳能电池组件的制备方法，参看图2，包括以下步骤：
步骤一，清洗硅片：取一定尺寸P型硅片，将硅片浸泡在硫酸:双氧水＝3:2(体积比)的混合溶液中并进行超声处理5min，将硅片浸入15vol％HF溶液，然后采用去离子水对硅片冲洗2min，接着将硅片置于0.5wt.％的HF溶液中漂洗1min，以去掉硅片表面自然氧化层，最后用去离子水冲洗2min；
步骤二，制备金字塔结构：配制2.8wt.％的NaOH和7vol.％的异丙醇混合溶液，将硅片置于混合溶液中于80℃下超声腐蚀1h，在硅片表面得到金字塔减反结构；
步骤三，制备黑硅结构：将硅片放置于磁控溅射仪中，抽真空至1.2×10-4Pa以下，同时磁控溅射Cu靶、Ni靶，功率分别为140W、120W，磁控溅射Cu靶、Ni靶时间为5min，使其形成Cu/Ni合金膜；将上述溅射有Cu/Ni合金膜的硅片放置于2.7M H2O2和8.3M HF的混合溶液中，在92℃下腐蚀100min，使硅片表面腐蚀出硅纳米结构，即黑硅结构，腐蚀完后用盐酸溶液对其进行清洗，去除残留的Ni颗粒，最后用去离子水清洗硅片；
步骤四，制备黑硅太阳电池：
1)将制备好的硅片，采用三氯氧磷液态源扩散形成扩散层，扩散温度为800℃～1150℃；采用四氟化碳和氧气的等离子体周边刻蚀，将硅片的边缘的扩散层去除，使上下两面隔断，然后利用低浓度氢氟酸溶液(3vol％)对硅片清洗30s去除磷硅玻璃；
2)按Fe3O4:P3HT:PCBM＝0.018:1:0.8的质量比将Fe3O4磁性纳米粒子掺杂到光活性层溶液中，掺杂浓度为1％，然后将硅片置于上述光活性层溶液中，超声振荡30min，在硅片表面覆盖一层光活性层；
其中，Fe3O4磁性纳米粒子采用液相共沉淀方法制备如下：将0.85g(3.1mmol)FeCl3·6H2O与0.3g(1.5mmol)FeCl2·4H2O，在氮气保护下溶解于200ml超纯水中制成铁盐混合溶液；80℃下，强烈磁力搅拌，将2ml质量浓度为25％的氢氧化氨溶液缓慢加入铁盐混合溶液中，当溶液值升高到7～8时，铁盐水解产生大量黑色的Fe3O4磁性纳米粒子，继续滴加氢氧化氦至pH＝9反应3h，使水解趋于完全；将黑色Fe3O4磁性纳米粒子用磁铁从溶液分离出来，超纯水洗涤，然后分散于200ml超纯水中，加入2ml质量浓度为25％的氢氧化氨溶液和1ml油酸，于80℃恒温强烈磁力搅拌1h。最后向溶液中缓慢加入质量浓度为36％的浓盐酸，直至烧瓶中产生块状沉淀，将块状沉淀用磁铁收集后再用乙醇清洗3次，去除未反应的油酸，得到油酸修饰的Fe3O4磁性纳米粒子；
3)采用高温热氧化法，将上述所得的硅片载入高温氧化炉，向炉内通入氧气，使硅片在氧化氛围中，表面逐渐被氧化生成5～10nm厚的SiO2，然后将该硅片放入磁控溅射仪中，利用反应磁控溅射方法首先蒸镀一层Al2O3薄膜，厚度约40nm，然后再利用PECVD法沉积一层氮化硅，使其形成SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜；
4)制备电极缓冲层：利用射频磁控溅射方法，分别在硅片上表面和下表面沉积一层Cr膜，厚度为100nm，作为上下电极的缓冲层；
5)制备电极：采用丝网印刷的方法，分别制作黑硅太阳能电池的上下电极和背电场，最后对黑硅太阳能电池烧结，使电极与硅形成良好的欧姆接触，然后将导线连接至上下电极。
测试结果：
在AM1.5标准模拟光源照射条件的黑硅电池特性：
开路电压为0.965V，短路电流为58.36mA/cm2，填充因子为80.63％；黑硅电池反射率为1.32％。使用QSSPC测量电池的载流子寿命，当注入载流子浓度△n＝1015cm-3时，有效少数载流子寿命为10.9μs。
测试得到该LED路灯的太阳能转换效率为22.78％，对太阳光的反射率约1.32％，经过3000次重复测试，转化效率变化量小于11％，该LED路灯的转换效率高，重复性好。
实施例4
图1是根据一示例性实施例示出的一种具有光合作用的生物反应器的结构示意图，如图1所示，一种具有光合作用的生物反应器，包括生物反应器1、太阳能光伏板9、蓄电器8、温控装置10和相变盒体；所述生物反应器1固设于相变盒体内部；所述蓄电器8和温控装置10电性连接，所述太阳能光伏板9与蓄电器8连接；所述生物反应器1分为第一过滤室和第二过滤室，所述第一过滤室和所述第二过滤室的底部分别设置有第一曝气器2和第二曝气器4，所述第一曝气器2和所述第二曝气器4的一端分别连接有电动风机；所述第一过滤室和所述第二过滤室通过平板过滤膜板3分隔开来，所述第一过滤室的入口处连接有进水管7；位于所述第二曝气器4的上部设置有纤维膜5，所述第二过滤室的出口处设置有出水管，所述出水管一端设置有电磁阀11，另一端设置有电动风机6；所述蓄电器8内装设有太阳能电池组件，所述太阳能电池组件主要由黑硅太阳能电池和蓄电池组成。
优选地，所述相变盒体包括相变保温层和绝热保温层。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十二碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十四碳石蜡。
优选地，所述黑硅太阳能电池基于P型硅片的黑硅结构，该黑硅结构为在硅片表面金字塔结构基础上利用Cu/Ni合金膜的辅助化学法刻蚀制备；所述黑硅结构上面依次为扩散层、光活性层、SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜、电极缓冲层和上电极；所述光活性层掺杂有Fe3O4磁性纳米粒子；所述黑硅结构下面依次为电极缓冲层、下电极；所述SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜的厚度约70nm。
作为优选，所述黑硅太阳能电池为基于如图3所示的P型硅片的黑硅结构，该黑硅结构为在硅片表面金字塔结构基础上利用Cu/Ni合金膜的辅助化学法刻蚀制备，在本实施例中，该金字塔结构为在2.8wt.％的NaOH和7vol.％的异丙醇混合溶液中腐蚀得到。
所述黑硅结构上面依次为如图4所示的扩散层01、光活性层02、SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜03、电极缓冲层04和上电极05；所述光活性层02掺杂有Fe3O4磁性纳米粒子；所述黑硅结构下面依次为电极缓冲层、下电极；所述SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜的厚度约70nm。其中，所述扩散层01为使用三氯氧磷为掺杂磷元素扩散源。
图2是根据一示例性实施例示出的一种具有光合作用的生物反应器所采用的黑硅太阳能电池组件的制备方法，参看图2，包括以下步骤：
步骤一，清洗硅片：取一定尺寸P型硅片，将硅片浸泡在硫酸:双氧水＝3:2(体积比)的混合溶液中并进行超声处理5min，将硅片浸入15vol％HF溶液，然后采用去离子水对硅片冲洗2min，接着将硅片置于0.5wt.％的HF溶液中漂洗1min，以去掉硅片表面自然氧化层，最后用去离子水冲洗2min；
步骤二，制备金字塔结构：配制2.8wt.％的NaOH和7vol.％的异丙醇混合溶液，将硅片置于混合溶液中于80℃下超声腐蚀1h，在硅片表面得到金字塔减反结构；
步骤三，制备黑硅结构：将硅片放置于磁控溅射仪中，抽真空至1.2×10-4Pa以下，同时磁控溅射Cu靶、Ni靶，功率分别为140W、120W，磁控溅射Cu靶、Ni靶时间为5min，使其形成Cu/Ni合金膜；将上述溅射有Cu/Ni合金膜的硅片放置于2.7M H2O2和8.3M HF的混合溶液中，在92℃下腐蚀100min，使硅片表面腐蚀出硅纳米结构，即黑硅结构，腐蚀完后用盐酸溶液对其进行清洗，去除残留的Ni颗粒，最后用去离子水清洗硅片；
步骤四，制备黑硅太阳电池：
1)将制备好的硅片，采用三氯氧磷液态源扩散形成扩散层，扩散温度为800℃～1150℃；采用四氟化碳和氧气的等离子体周边刻蚀，将硅片的边缘的扩散层去除，使上下两面隔断，然后利用低浓度氢氟酸溶液(3vol％)对硅片清洗30s去除磷硅玻璃；
2)按Fe3O4:P3HT:PCBM＝0.018:1:0.8的质量比将Fe3O4磁性纳米粒子掺杂到光活性层溶液中，掺杂浓度为1％，然后将硅片置于上述光活性层溶液中，超声振荡30min，在硅片表面覆盖一层光活性层；
其中，Fe3O4磁性纳米粒子采用液相共沉淀方法制备如下：将0.85g(3.1mmol)FeCl3·6H2O与0.3g(1.5mmol)FeCl2·4H2O，在氮气保护下溶解于200ml超纯水中制成铁盐混合溶液；80℃下，强烈磁力搅拌，将2ml质量浓度为25％的氢氧化氨溶液缓慢加入铁盐混合溶液中，当溶液值升高到7～8时，铁盐水解产生大量黑色的Fe3O4磁性纳米粒子，继续滴加氢氧化氦至pH＝9反应3h，使水解趋于完全；将黑色Fe3O4磁性纳米粒子用磁铁从溶液分离出来，超纯水洗涤，然后分散于200ml超纯水中，加入2ml质量浓度为25％的氢氧化氨溶液和1ml油酸，于80℃恒温强烈磁力搅拌1h。最后向溶液中缓慢加入质量浓度为36％的浓盐酸，直至烧瓶中产生块状沉淀，将块状沉淀用磁铁收集后再用乙醇清洗3次，去除未反应的油酸，得到油酸修饰的Fe3O4磁性纳米粒子；
3)采用高温热氧化法，将上述所得的硅片载入高温氧化炉，向炉内通入氧气，使硅片在氧化氛围中，表面逐渐被氧化生成5～10nm厚的SiO2，然后将该硅片放入磁控溅射仪中，利用反应磁控溅射方法首先蒸镀一层Al2O3薄膜，厚度约40nm，然后再利用PECVD法沉积一层氮化硅，使其形成SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜；
4)制备电极缓冲层：利用射频磁控溅射方法，分别在硅片上表面和下表面沉积一层Cr膜，厚度为100nm，作为上下电极的缓冲层；
5)制备电极：采用丝网印刷的方法，分别制作黑硅太阳能电池的上下电极和背电场，最后对黑硅太阳能电池烧结，使电极与硅形成良好的欧姆接触，然后将导线连接至上下电极。
测试结果：
在AM1.5标准模拟光源照射条件的黑硅电池特性：
开路电压为0.965V，短路电流为58.36mA/cm2，填充因子为80.63％；黑硅电池反射率为1.26％。使用QSSPC测量电池的载流子寿命，当注入载流子浓度△n＝1015cm-3时，有效少数载流子寿命为10.9μs。
测试得到该LED路灯的太阳能转换效率为20.69％，对太阳光的反射率约1.26％，经过3000次重复测试，转化效率变化量小于12％，该LED路灯的转换效率高，重复性好。
实施例5
图1是根据一示例性实施例示出的一种具有光合作用的生物反应器的结构示意图，如图1所示，一种具有光合作用的生物反应器，包括生物反应器1、太阳能光伏板9、蓄电器8、温控装置10和相变盒体；所述生物反应器1固设于相变盒体内部；所述蓄电器8和温控装置10电性连接，所述太阳能光伏板9与蓄电器8连接；所述生物反应器1分为第一过滤室和第二过滤室，所述第一过滤室和所述第二过滤室的底部分别设置有第一曝气器2和第二曝气器4，所述第一曝气器2和所述第二曝气器4的一端分别连接有电动风机；所述第一过滤室和所述第二过滤室通过平板过滤膜板3分隔开来，所述第一过滤室的入口处连接有进水管7；位于所述第二曝气器4的上部设置有纤维膜5，所述第二过滤室的出口处设置有出水管，所述出水管一端设置有电磁阀11，另一端设置有电动风机6；所述蓄电器8内装设有太阳能电池组件，所述太阳能电池组件主要由黑硅太阳能电池和蓄电池组成。
优选地，所述相变盒体包括相变保温层和绝热保温层。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十二碳石蜡。
优选地，所述相变保温层的相变材料为正二十四碳石蜡。
优选地，所述黑硅太阳能电池基于P型硅片的黑硅结构，该黑硅结构为在硅片表面金字塔结构基础上利用Cu/Ni合金膜的辅助化学法刻蚀制备；所述黑硅结构上面依次为扩散层、光活性层、SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜、电极缓冲层和上电极；所述光活性层掺杂有Fe3O4磁性纳米粒子；所述黑硅结构下面依次为电极缓冲层、下电极；所述SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜的厚度约70nm。
作为优选，所述黑硅太阳能电池为基于如图3所示的P型硅片的黑硅结构，该黑硅结构为在硅片表面金字塔结构基础上利用Cu/Ni合金膜的辅助化学法刻蚀制备，在本实施例中，该金字塔结构为在2.8wt.％的NaOH和7vol.％的异丙醇混合溶液中腐蚀得到。
所述黑硅结构上面依次为如图4所示的扩散层01、光活性层02、SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜03、电极缓冲层04和上电极05；所述光活性层02掺杂有Fe3O4磁性纳米粒子；所述黑硅结构下面依次为电极缓冲层、下电极；所述SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜的厚度约70nm。其中，所述扩散层01为使用三氯氧磷为掺杂磷元素扩散源。
图2是根据一示例性实施例示出的一种具有光合作用的生物反应器所采用的黑硅太阳能电池组件的制备方法，参看图2，包括以下步骤：
步骤一，清洗硅片：取一定尺寸P型硅片，将硅片浸泡在硫酸:双氧水＝3:2(体积比)的混合溶液中并进行超声处理5min，将硅片浸入15vol％HF溶液，然后采用去离子水对硅片冲洗2min，接着将硅片置于0.5wt.％的HF溶液中漂洗1min，以去掉硅片表面自然氧化层，最后用去离子水冲洗2min；
步骤二，制备金字塔结构：配制2.8wt.％的NaOH和7vol.％的异丙醇混合溶液，将硅片置于混合溶液中于80℃下超声腐蚀1h，在硅片表面得到金字塔减反结构；
步骤三，制备黑硅结构：将硅片放置于磁控溅射仪中，抽真空至1.2×10-4Pa以下，同时磁控溅射Cu靶、Ni靶，功率分别为140W、120W，磁控溅射Cu靶、Ni靶时间为5min，使其形成Cu/Ni合金膜；将上述溅射有Cu/Ni合金膜的硅片放置于2.7M H2O2和8.3M HF的混合溶液中，在92℃下腐蚀100min，使硅片表面腐蚀出硅纳米结构，即黑硅结构，腐蚀完后用盐酸溶液对其进行清洗，去除残留的Ni颗粒，最后用去离子水清洗硅片；
步骤四，制备黑硅太阳电池：
1)将制备好的硅片，采用三氯氧磷液态源扩散形成扩散层，扩散温度为800℃～1150℃；采用四氟化碳和氧气的等离子体周边刻蚀，将硅片的边缘的扩散层去除，使上下两面隔断，然后利用低浓度氢氟酸溶液(3vol％)对硅片清洗30s去除磷硅玻璃；
2)按Fe3O4:P3HT:PCBM＝0.018:1:0.8的质量比将Fe3O4磁性纳米粒子掺杂到光活性层溶液中，掺杂浓度为1％，然后将硅片置于上述光活性层溶液中，超声振荡30min，在硅片表面覆盖一层光活性层；
其中，Fe3O4磁性纳米粒子采用液相共沉淀方法制备如下：将0.85g(3.1mmol)FeCl3·6H2O与0.3g(1.5mmol)FeCl2·4H2O，在氮气保护下溶解于200ml超纯水中制成铁盐混合溶液；80℃下，强烈磁力搅拌，将2ml质量浓度为25％的氢氧化氨溶液缓慢加入铁盐混合溶液中，当溶液值升高到7～8时，铁盐水解产生大量黑色的Fe3O4磁性纳米粒子，继续滴加氢氧化氦至pH＝9反应3h，使水解趋于完全；将黑色Fe3O4磁性纳米粒子用磁铁从溶液分离出来，超纯水洗涤，然后分散于200ml超纯水中，加入2ml质量浓度为25％的氢氧化氨溶液和1ml油酸，于80℃恒温强烈磁力搅拌1h。最后向溶液中缓慢加入质量浓度为36％的浓盐酸，直至烧瓶中产生块状沉淀，将块状沉淀用磁铁收集后再用乙醇清洗3次，去除未反应的油酸，得到油酸修饰的Fe3O4磁性纳米粒子；
3)采用高温热氧化法，将上述所得的硅片载入高温氧化炉，向炉内通入氧气，使硅片在氧化氛围中，表面逐渐被氧化生成5～10nm厚的SiO2，然后将该硅片放入磁控溅射仪中，利用反应磁控溅射方法首先蒸镀一层Al2O3薄膜，厚度约40nm，然后再利用PECVD法沉积一层氮化硅，使其形成SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜；
4)制备电极缓冲层：利用射频磁控溅射方法，分别在硅片上表面和下表面沉积一层Cr膜，厚度为100nm，作为上下电极的缓冲层；
5)制备电极：采用丝网印刷的方法，分别制作黑硅太阳能电池的上下电极和背电场，最后对黑硅太阳能电池烧结，使电极与硅形成良好的欧姆接触，然后将导线连接至上下电极。
测试结果：
在AM1.5标准模拟光源照射条件的黑硅电池特性：
开路电压为0.965V，短路电流为58.36mA/cm2，填充因子为80.63％；黑硅电池反射率为2.1％。使用QSSPC测量电池的载流子寿命，当注入载流子浓度△n＝1015cm-3时，有效少数载流子寿命为10.9μs。
测试得到该LED路灯的太阳能转换效率为26.58％，对太阳光的反射率约2.1％，经过3000次重复测试，转化效率变化量小于14％，该LED路灯的转换效率高，重复性好。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (3)

1.一种具有光合作用的生物反应器，其特征在于：包括生物反应器、太阳能光伏板、蓄电器、温控装置和相变盒体；所述生物反应器固设于相变盒体内部；所述蓄电器和温控装置电性连接，所述太阳能光伏板与蓄电器连接；所述生物反应器分为第一过滤室和第二过滤室，所述第一过滤室和所述第二过滤室的底部分别设置有第一曝气器和第二曝气器，所述第一曝气器和所述第二曝气器的一端分别连接有电动风机；所述第一过滤室和所述第二过滤室通过平板过滤膜板分隔开来，所述第一过滤室的入口处连接有进水管；位于所述第二曝气器的上部设置有纤维膜，所述第二过滤室的出口处设置有出水管，所述出水管一端设置有电磁阀，另一端设置有电动风机；所述蓄电器内装设有太阳能电池组件，所述太阳能电池组件主要由黑硅太阳能电池和蓄电池组成；所述相变盒体包括相变保温层和绝热保温层；所述相变保温层的相变材料为正二十四碳石蜡；所述黑硅太阳能电池基于P型硅片的黑硅结构，该黑硅结构为在硅片表面金字塔结构基础上利用Cu/Ni合金膜的辅助化学法刻蚀制备；所述黑硅结构上面依次为扩散层、光活性层、SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜、电极缓冲层和上电极；所述光活性层掺杂有Fe3O4磁性纳米粒子；所述黑硅结构下面依次为电极缓冲层、下电极；所述SiO2/Al2O3/SiNX叠层钝化膜的厚度为70nm；该金字塔结构为在2.8wt.％的NaOH和7vol.％的异丙醇混合溶液中腐蚀得到；在AM1.5标准模拟光源照射条件的黑硅电池特性：开路电压为0.965V，短路电流为58.36mA/cm2，填充因子为80.63％；黑硅电池对太阳光的反射率为0.84％；使用QSSPC测量电池的载流子寿命，当注入载流子浓度△n＝1015cm-3时，有效少数载流子寿命为10.9μs。
2.根据权利要求1所述的一种具有光合作用的生物反应器，其特征在于：所述相变保温层的相变材料为正二十碳石蜡。
3.根据权利要求2所述的一种具有光合作用的生物反应器，其特征在于：所述相变保温层的相变材料为正二十二碳石蜡。
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