CN107195703A - 石墨烯薄膜基光能电池、光能手机 - Google Patents

石墨烯薄膜基光能电池、光能手机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯薄膜基光能电池、光能手机，该光能电池具有下层储能结构和位于下层储能结构上表面的用于光转换的电上层光电转换结构；上层光电转换结构至少包括依次从下往上设置的第一底部石墨烯薄膜电极、垂直生长于第一底部透明石墨烯薄膜表面的第一纳米棒阵列、以及第一顶部透明石墨烯薄膜电极；下层储能结构至少包括依次从下往上设置的与第一顶部透明石墨烯薄膜电极相电连的第二底部石墨烯薄膜电极、与第二底部石墨烯薄膜电极相垂直的第二纳米棒阵列和固态电解质、以及与第一底部石墨烯薄膜电极相电连的第二顶部石墨烯薄膜电极；第二顶部石墨烯薄膜电极和第二底部石墨烯薄膜电极还分别设置有引出极，从而实现了光能电池的薄膜化。

Description

石墨烯薄膜基光能电池、光能手机
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种石墨烯薄膜基光能电池和一种光能手机。
背景技术
石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性最好的一种新型纳米材料，其抗拉强度约为普通钢的100倍，可以承受大约2吨的重量，并且具有良好的柔韧性。石墨烯的电子迁移率为硅中电子迁移率的140倍，温度稳定性高，面电阻比铜、银更低，是室温下导电最好的材料。石墨烯的比表面积大，热导率是硅的36倍，使得石墨烯在柔性导电薄膜方面具有重要应用。在光学方法，单层石墨烯对可见光及近红外波段光垂直的吸收率仅为2.3％，对所有波段的光无选择性吸收，对从可见光到太赫兹宽波段的光都有吸收等。由于石墨烯的上述特性，石墨烯在移动设备、航空航天、新能源电池等诸多领域具有应用潜力。
很多消费者手机经常没电，为此有人随身带两三块电池板，甚至有人随身带着充电器，解决手机待机问题一直是厂商长期关注的问题。随着手机多媒体海量应用的出现，待机问题一直是困扰手机产业和消费者的桎梏，行业人士长期以来都希望能够将使用方便、节能环保、安全可靠的太阳能技术移植到手机上来，使之成为手机在3G时代无线生活中长期稳定的动能支撑。
国内芯片企业在光电转换芯片、低功耗芯片上还处于薄弱阶段，难以实现大规模量产。此外，国内一些太阳能单晶硅片企业出厂的太阳能硅片吸收率也普遍偏低，将直接影响产品光电转化效果。原来太阳能技术大多都是运用在露天、大屏、阳光直射的环境上，将这种技术植移到移动数码产品无论是大幅单晶硅片的切割，还是小电流、小内阻、慢色光等电路技术的实现根本查不到相关参考，其对厂商都是巨大的挑战。如何在不影响手机美观的情况下增大太阳能板的使用面积、优化电池内部管理、增强光电转换等方面将是太阳能手机领域下一步技术发展的重点和难点。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种石墨烯薄膜基光能电池和光能手机，从而实现光能电池的薄膜化以及实现光能转换模块与手机的良好整合。
为了达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯薄膜基光能电池，其具有下层储能结构和位于下层储能结构上表面的上层光电转换结构；其中，
上层光电转换结构至少包括：第一底部石墨烯薄膜电极、垂直生长于第一底部透明石墨烯薄膜表面的第一纳米棒阵列、以及覆盖于第一纳米棒阵列顶部的第一顶部透明石墨烯薄膜电极；
下层储能结构至少包括：与第一顶部透明石墨烯薄膜电极相电连的第二底部石墨烯薄膜电极、与第一底部石墨烯薄膜电极相电连的第二顶部石墨烯薄膜电极、夹在第二底部石墨烯薄膜电极和第一底部石墨烯薄膜电极之间的且与二者相垂直的第二纳米棒阵列和固态电解质，第二纳米棒阵列分布于固态电解质中；第二顶部石墨烯薄膜电极和第二底部石墨烯薄膜电极还分别设置有引出极；
上层光电转换结构将光转换为电，存储到下层储能结构中。
优选地，所述第一底部石墨烯薄膜电极与所述第二顶部石墨烯薄膜电极直接接触；或者，所述第一底部石墨烯薄膜电极和所述第二顶部石墨烯薄膜电极之间还设置有第三介质石墨烯薄膜，用于隔离第一底部石墨烯薄膜电极和第二顶部石墨烯薄膜电极。
优选地，所述第三介质石墨烯薄膜为氧化石墨烯薄膜。
优选地，所述第一顶部透明石墨烯薄膜电极表面还覆盖有一层光增透膜。
优选地，所述第一顶部透明石墨烯薄膜电极表面具有多个凹陷，使得第一纳米棒阵列随之呈高低起伏状，从而增加对光的透过率。
优选地，所述第一顶部透明石墨烯薄膜电极底部表面还设置有一层连续钛合金薄膜，且所述第一纳米棒阵列的顶部与所述连续钛合金薄膜相接触。
优选地，所述连续钛合金薄膜为透明的，其厚度不大于10nm。
优选地，所述第一纳米棒阵列中包含第一中空纳米棒和第一非中空纳米棒。
优选地，第一非中空纳米棒分布于所述第一底部石墨烯薄膜电极的中心区域，所述第一非中空纳米棒围绕所述第一中空纳米棒设置。
优选地，所述第二底部石墨烯薄膜电极表面还形成有一层活性金属化合物层或聚阴离子材料层，所述第二纳米棒阵列形成于活性金属化合物层或聚阴离子材料层表面。
优选地，位于所述石墨烯薄膜基光能电池的边缘的所述上层光电转换结构设置有多个凹陷和凸起，用于缓冲对所述石墨烯薄膜基光能电池的挤压。
优选地，所述上层光电转换结构呈向中心凹的弯曲状，使得所述石墨烯薄膜基光能电池的边缘突起。
优选地，所述第一顶部透明石墨烯薄膜电极、第一底部石墨烯薄膜电极、第二顶部石墨烯薄膜电极和第二底部石墨烯薄膜电极均为单层石墨烯薄膜。
优选地，所述石墨烯薄膜基电池中包括多个串联或并联的所述上层光电转换结构、以及位于多个串联或并联的所述上层光电转换结构的多个串联或并联的所述下层储能结构，多个串联或并联的所述上层光电转换结构中最底层的第一底层石墨烯薄膜电极与多个串联或并联的所述下层储能结构中最顶层的第二顶层石墨烯薄膜电极相电连；多个串联或并联的所述上层光电转换结构中最顶层的第一顶层石墨烯薄膜电极与多个串联或并联的所述下层储能结构中最底层的第二底层石墨烯薄膜电极相电连。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种光能手机，在手机机身背面具有上述任一项的石墨烯薄膜基光能电池作为背面壳体，其中，所述上层光电转换结构和所述下层储能结构从背面壳体外侧向内依次设置；所述第一底部石墨烯薄膜电极和第二底部石墨烯薄膜电极上分别设置的引出极连接手机电路。
优选地，所述石墨烯薄膜基光能电池还设置作为手机机身的侧壁、以及手机机身正面的边缘区域。
本发明的石墨烯基光能电池，利用第一顶部石墨烯薄膜同时作为光透过窗口和上电极，利用第一底部石墨烯薄膜电极作为高功函数电极与第一纳米棒阵列共同构成光电转换异质结，从而实现将光能转换为电能，再利用下层储能结构将电能存储起来，并通过下层储能结构实现向外界放电；并且，下层储能结构中的第二顶部石墨烯薄膜电极与第二底部石墨烯薄膜电极分别与第一底部石墨烯薄膜电极和第一顶部透明石墨烯薄膜电极相电连，从而实现电能从上层光电转换结构向下层储能结构的流动；由于第二顶部石墨烯薄膜电极、第二底部石墨烯薄膜电极、第二纳米棒阵列均为纳米级，厚度很薄，并且石墨烯薄膜本身有具有良好的可挠性和强度，使得所构成的下层储能结构呈薄膜态，并且具有良好的柔性、可挠性和强度；同理，上层光电转换结构也呈薄膜态，并且具有良好的柔性、可挠性和强度，从而从整体上实现了光能电池的薄膜化、柔性、可挠性和强度。此外，当第一顶部透明石墨烯薄膜电极厚度较薄，甚至可以在一个或几个原子层厚度时，从而使得第一顶部透明石墨烯薄膜电极具有良好的透光率，提高光的利用效率。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的光能电池的截面结构示意图
图2为本发明的一个较佳实施例的上层光电转换结构的第一纳米棒阵列分布示意图
图3为本发明的一个较佳实施例的上层光电转换结构的示意图
图4为本发明的一个较佳实施例的光能手机的侧面示意图
图5为本发明的一个较佳实施例的光能手机的正面示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合附图1～5和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图1，本实施例的一种石墨烯薄膜基光能电池，具有下层储能结构02和位于下层储能结构02上表面的上层光电转换结构01。上层光电转换结构01将光转换为电，存储到下层储能结构02中。
这里的上层光电转换结构01至少包括：第一底部石墨烯薄膜电极012、垂直生长于第一底部石墨烯薄膜012表面的第一纳米棒阵列N1、以及覆盖于第一纳米棒阵列N1顶部的第一顶部透明石墨烯薄膜电极011。为了避免第一纳米棒阵列N1发生断裂或倒塌，在第一纳米棒阵列N1之间填充绝缘有机材料P，例如PMMA。
下层储能结构02至少包括：与第一顶部透明石墨烯薄膜电极011相电连的第二底部石墨烯薄膜电极022、与第一底部石墨烯薄膜电极012相电连的第二顶部石墨烯薄膜电极021、夹在第二底部石墨烯薄膜电极022和第一底部石墨烯薄膜电极021之间的且与二者相垂直的第二纳米棒阵列N2和固态电解质D，第二纳米棒阵列N2分布于固态电解质D中；第二顶部石墨烯薄膜电极012和第二底部石墨烯薄膜电极022还分别设置有引出极。
本实施例中，第一底部石墨烯薄膜电极012和第二顶部石墨烯薄膜电极021之间还可以通过设置第三介质石墨烯薄膜03，来隔离第一底部石墨烯薄膜电极012和第二顶部石墨烯薄膜电极021，而第一底部石墨烯薄膜电极012和第二顶部石墨烯薄膜电极021之间的电连可以通过导线或其它半导体互连方式相电连。较佳的，第三介质石墨烯薄膜03为氧化石墨烯薄膜。或者，第一底部石墨烯薄膜电极012与第二顶部石墨烯薄膜电极021可以直接接触而相电连，这种情况下，第一底部石墨烯薄膜电极012与第二顶部石墨烯薄膜电极021为同一层薄膜。
这里，第一顶部透明石墨烯薄膜电极011和第一底部石墨烯薄膜电极012的厚度可以相同，也可以不相同，为了确保第一顶部透明石墨烯薄膜电极011的良好的光透过率，第一顶部透明石墨烯薄膜电极011可以为单原子层石墨烯薄膜或者2～3个原子层石墨烯薄膜。在不要求石墨烯薄膜基光能电池为透明时，第一底部石墨烯薄膜电极012的透明度也可以不做要求，第一底部石墨烯薄膜电极012的厚度不局限于单个或几个原子层的厚度，甚至第一底部石墨烯薄膜电极012的厚度导致第一底部石墨烯薄膜电极012的光透过率下降也是允许的。
此外，本实施例的第一顶部透明石墨烯薄膜电极011表面还可以覆盖上一层光增透膜(未示出)，用于提高光的入射效率。
本实施例中，还在第一顶部透明石墨烯薄膜电极011底部表面设置了一层连续钛合金薄膜M，同时第一纳米棒阵列N1的顶部与连续钛合金薄膜M相接触，这层钛合金薄膜M可以是直接在第一顶部透明石墨烯薄膜电极011底部表面沉积或生长得到的。为了增加光透过率，钛合金薄膜M为透明的，其厚度可以不大于10nm。钛合金薄膜M设置于第一顶部透明石墨烯薄膜电极011与第一纳米棒阵列N1之间，能够使第一顶部透明石墨烯薄膜电极011与第一纳米棒阵列N1形成良好的欧姆接触，还能够进一步增强第一顶部透明石墨烯薄膜电极011的强度。
较佳的，这里的第一纳米棒阵列N1的材料可以为n型半导体纳米线，例如II-VI族的化合物半导体材料，而这里的第一底部石墨烯薄膜电极012作为高功函数高导电率电极，与第一纳米棒阵列N1之间形成一定的欧姆接触，提高了光能电池的光电转换效率。此外，如图2所示，本实施例的第一纳米棒阵列N1中还包含有第一中空纳米棒N11和第一非中空纳米棒N12。第一中空纳米棒N11和第一非中空纳米棒N12的混合分布能够扩宽对光的吸收范围并且能够延伸至近红外波段，从而提高上层光电转换结构01的光转换效率，使光生电流最大化。由于光能电池呈薄膜态，上层光电转换结构01也呈薄膜态，甚至有些场合需要光能电池进行变形来适应不同需要，而薄膜态的中心位置最容易受力变形，为了提高上层光电转换结构01的变形能力、柔韧性和使用寿命，避免发生弯曲断裂等问题，这里，请参阅图2，将第一非中空纳米棒N12分布于第一底部石墨烯薄膜电极012的中心区域，第一非中空纳米棒011围绕第一中空纳米棒012设置。
同时，为了使光能电池可以直接作为外壳使用，提高光能电池的自支撑力，将上层光电转换结构01设置为向中心凹的弯曲状，使得该石墨烯薄膜基光能电池的边缘突起，如图4所示，当光能电池作为手机背面壳体时，呈现中心凹边缘凸的光能电池的边缘将手机机身04在平台上进行有力支撑；同时，还可以在第一顶部透明石墨烯薄膜电极011表面设置多个凹陷，使得第一纳米棒阵列N1随之呈高低起伏状，能够提高第一顶部透明石墨烯薄膜电极011的柔韧性和支撑力，同时还能够增加对光的透过率，具有多个凹陷的第一顶部透明石墨烯薄膜电极011具有较高的散射效果，可以增加光透过率。此外，本实施例中，请参阅图1和3，图3中为上层光电转换结构的示意图，图3中虚线框所示结构是图1中的虚线圈所示结构的放大示意结构，图3中虚线表示上层光电转换结构其它部分省略示意。如图3所示，位于石墨烯薄膜基光能电池边缘的上层光电转换结构01设置有多个凹陷和凸起，不仅能够起到对石墨烯薄膜基光能电池的支撑作用，还能够缓冲对石墨烯薄膜基光能电池的挤压，提高石墨烯薄膜基光能电池的抗冲击力、柔韧度。
此外，本实施例的第二底部石墨烯薄膜电极022表面还形成有一层活性金属化合物层或聚阴离子材料层A，第二纳米棒阵列N2形成于活性金属化合物层或聚阴离子材料层A表面，从而构成活性离子和石墨烯薄膜的混合储能结构，利用活性离子来提高下层储能结构02的电容值和充放电速度。需要说明的是，当石墨烯薄膜基光能电池需要呈透明态时，本实施例的第二顶部石墨烯薄膜电极021和第二底部石墨烯薄膜电极022均可以为单层石墨烯薄膜或2～3层石墨烯薄膜。
此外，本实施例的第二纳米棒阵列N2中也可以包含有第二中空纳米棒和第二非中空纳米棒。为了提高第二纳米棒阵列对活性离子的吸附和释放速率，以及活性离子的存储量，第二纳米棒的材料的材料可以为过渡元素氧化物，例如可以为钛酸、氧化锌、氧化钛、氧化镍、氧化钴等金属氧化物或合金氧化物。采用第二中空纳米棒和第二非中空纳米棒混合设置的第二纳米棒阵列应用于下层储能结构02中，可以有效降低活性离子在第二纳米棒内部的迁移距离，提高迁移率，由于第二中空纳米棒的赝电容动力学特征，使得第二中空纳米棒和第二非中空纳米棒混合的第二纳米棒阵列N2、第二顶部石墨烯薄膜电极021和第二底部石墨烯薄膜电极022构成的下层储能结构02兼具超级电容器的高功率、优异的循环寿命和高能量密度的复合型电池。
进一步的，本实施例中，石墨烯薄膜基电池中包括多个串联的上述的上层光电转换结构01、以及位于多个串联的上述的上层光电转换结构01的多个串联的上述的下层储能结构02，多个串联的上层光电转换结构01中最底层的第一底层石墨烯薄膜电极012与多个并联的下层储能结构02中最顶层的第二顶层石墨烯薄膜电极21相电连；多个串联的上层光电转换结构01中最顶层的第一顶层石墨烯薄膜电极011与多个并联的下层储能结构02中最底层的第二底层石墨烯薄膜电极022相电连，串联的上层光电转换结构01提高光生电流量，并联的下层储能结构02提高电容量和电流输出量。需要说明的是，关于上层光电转换结构01之间还可以是并联，关于下层储能结构02之间还可以是串联，当然还可以包含上层光电转换结构01之间的串联或并联与下层储能结构02之间的串联或并联的任意组合。
请参阅图4，本实施例中还提供了一种光能手机00，在手机机身04背面具有本实施例上述的石墨烯薄膜基光能电池作为背面壳体，也即是手机机身04背面是由石墨烯薄膜基光能电池形成的。其中，上层光电转换结构01和下层储能结构02从背面壳体外侧向内依次设置，也即是上层光电转换结构01需要吸收光，设置在背面壳体外层；第二顶部石墨烯薄膜电极021和第二底部石墨烯薄膜电极022上分别设置的引出极连接手机电路，从而为手机电路提供电能。请参阅图5，黑色部分表示石墨烯薄膜基光能电池所在区域，空白区域为手机屏幕区域；石墨烯薄膜基光能电池还设置在手机机身的侧壁、以及手机机身正面的边缘区域，也即是呈薄膜态的石墨烯薄膜基光能电池还作为手机机身的侧壁以及手机机身正面的边缘区域，这样可以扩大石墨烯薄膜基光能电池对光的吸收率，提高光电转换效率，为手机提供更多更充足的电能。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (17)

1.一种石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，具有下层储能结构和位于下层储能结构上表面的上层光电转换结构；其中，
上层光电转换结构至少包括：第一底部石墨烯薄膜电极、垂直生长于第一底部透明石墨烯薄膜表面的第一纳米棒阵列、以及覆盖于第一纳米棒阵列顶部的第一顶部透明石墨烯薄膜电极；
下层储能结构至少包括：与第一顶部透明石墨烯薄膜电极相电连的第二底部石墨烯薄膜电极、与第一底部石墨烯薄膜电极相电连的第二顶部石墨烯薄膜电极、夹在第二底部石墨烯薄膜电极和第一底部石墨烯薄膜电极之间的且与二者相垂直的第二纳米棒阵列和固态电解质，第二纳米棒阵列分布于固态电解质中；第二顶部石墨烯薄膜电极和第二底部石墨烯薄膜电极还分别设置有引出极；
上层光电转换结构将光转换为电，存储到下层储能结构中。
2.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述第一底部石墨烯薄膜电极与所述第二顶部石墨烯薄膜电极直接接触；或者，所述第一底部石墨烯薄膜电极和所述第二顶部石墨烯薄膜电极之间还设置有第三介质石墨烯薄膜，用于隔离第一底部石墨烯薄膜电极和第二顶部石墨烯薄膜电极。
3.根据权利要求2所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述第三介质石墨烯薄膜为氧化石墨烯薄膜。
4.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述第一顶部透明石墨烯薄膜电极表面还覆盖有一层光增透膜。
5.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述第一顶部透明石墨烯薄膜电极表面具有多个凹陷，使得第一纳米棒阵列随之呈高低起伏状，从而增加对光的透过率。
6.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述第一顶部透明石墨烯薄膜电极底部表面还设置有一层连续钛合金薄膜，且所述第一纳米棒阵列的顶部与所述连续钛合金薄膜相接触。
7.根据权利要求6所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述连续钛合金薄膜为透明的，其厚度不大于10nm。
8.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述第一纳米棒阵列中包含第一中空纳米棒和第一非中空纳米棒。
9.根据权利要求8所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，第一非中空纳米棒分布于所述第一底部石墨烯薄膜电极的中心区域，所述第一非中空纳米棒围绕所述第一中空纳米棒设置。
10.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述第二底部石墨烯薄膜电极表面还形成有一层活性金属化合物层或聚阴离子材料层，所述第二纳米棒阵列形成于活性金属化合物层或聚阴离子材料层表面。
11.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述第二纳米棒阵列的材料为过渡元素氧化物。
12.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，位于所述石墨烯薄膜基光能电池的边缘的所述上层光电转换结构设置有多个凹陷和凸起，用于缓冲对所述石墨烯薄膜基光能电池的挤压。
13.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述上层光电转换结构呈向中心凹的弯曲状，使得所述石墨烯薄膜基光能电池的边缘突起。
14.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述第一顶部透明石墨烯薄膜电极、第一底部石墨烯薄膜电极、第二顶部石墨烯薄膜电极和第二底部石墨烯薄膜电极均为单层石墨烯薄膜。
15.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜基光能电池，其特征在于，所述石墨烯薄膜基电池中包括多个串联或并联的所述上层光电转换结构、以及位于多个串联或并联的所述上层光电转换结构的多个串联或并联的所述下层储能结构，多个串联或并联的所述上层光电转换结构中最底层的第一底层石墨烯薄膜电极与多个串联或并联的所述下层储能结构中最顶层的第二顶层石墨烯薄膜电极相电连；多个串联或并联的所述上层光电转换结构中最顶层的第一顶层石墨烯薄膜电极与多个串联或并联的所述下层储能结构中最底层的第二底层石墨烯薄膜电极相电连。
16.一种光能手机，其特征在于，在手机机身背面具有权利要求1～15任意一项所述的石墨烯薄膜基光能电池作为背面壳体，其中，所述上层光电转换结构和所述下层储能结构从背面壳体外侧向内依次设置；所述第一底部石墨烯薄膜电极和第二底部石墨烯薄膜电极上分别设置的引出极连接手机电路。
17.根据权利要求16所述的一种光能手机，其特征在于，所述石墨烯薄膜基光能电池还设置作为手机机身的侧壁、以及手机机身正面的边缘区域。
CN201710537467.3A 2017-02-17 2017-07-04 石墨烯薄膜基光能电池、光能手机 Pending CN107195703A (zh)

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