CN107742991A - 一种共享电极的能量收集装置及能源系统 - Google Patents

一种共享电极的能量收集装置及能源系统 Download PDF

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孙旭辉
文震
孙娜
李庚霏
杨艳琴
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Abstract

本发明提供了一种共享电极的能量收集装置，包括太阳能电池和摩擦纳米发电机，所述太阳能电池和所述摩擦纳米发电机包括一共同使用的第一电极。本发明还提供了一种具有上述的共享电极的能量收集装置的能源系统。本发明的发明人开创性地研发出该共用电极的能量收集装置，不仅实现了体积和重量上的减小，而且减少了器件的材料用料，消除了各单元之间的外部电路的连接，这有助于降低能量消耗，提高效率。本发明的能源系统可以保证太阳能电池和摩擦纳米发电机在工作时相互不产生影响。

Description

一种共享电极的能量收集装置及能源系统
技术领域
本发明涉及纳米发电技术领域，尤其是涉及一种共享电极的能量收集装置及能源系统。
背景技术
目前，便携式或可穿戴电子产品的趋势是，一方面，这些电子产品被设计成更智能、更小却有更多的功能，如导航、无线通信，体育/医疗保健监测，生理传感；另一方面，这些电子产品与更常见的物体(纺织品、眼镜、手环等)集成在一起，并将其转变为智能的衣服或配饰。这些对于多功能和可穿戴的个人电子设备的追求激发了对微小器件组件的研究，比如电子元器件(特别是能源设备)的微型化、薄型化、质量轻、柔性、可折叠、可伸缩、自愈合、植入或可穿戴等。
可穿戴电子产品面临的主要挑战之一是寻找合适和可持续的电源。然而，最新的电池技术却面临着瓶颈，主要有以下几个原因：
首先，具有体积小、重量轻特点的多功能电子通常需要更高的功耗，因此运行时间更长或充电频率更低可以方便消费者对设备的使用。
其次，电池或超级电容器通常使用堆叠的平面多孔电极的无机氧化物、磷酸盐、氢基活性材料，这使得使它们的柔性和可拉伸性很差。虽然研究者在提高柔性/可穿戴电池/超级电容器的能量密度上取得巨大的进展，但是电池或超级电容器仍不能满足可穿戴电子上述要求。
因此，为了克服上述问题，其中一个有效的方法是将能量储存和收集技术结合为自充电系统应用于可穿戴电子产品。
能源储存和收集技术一直是一把双刃剑。可再生能源(太阳能、风能、振动或生物质能等)高度依赖于使用的环境和时间，这使得能源储存(电池、电容器、抽水机、压缩空气等)需要稳定或智能电源。便携式/穿戴式储能器件具有有限的能量，因此利用可穿戴的能量收集装置来补偿蓄电池/超级电容器的能量消耗的一个有效策略，并且这样可以延长操作时间，减少充电次数，从而形成一个自给自足的电力电子系统。将环境的能量转换成电能的各种技术已经开发：摩擦纳米发电机用于收集机械运动/振动能量，太阳能光伏设备用于收集太阳能。摩擦纳米发电机的优势在于可以收集低频无规律的机械能并且可以一直持续，但是它的输出较小。虽然太阳能光伏器件有较高的输出，但其容易受天气影响，不能持续工作。研究者们致力于将两种能量收集装置集成在一起，达到互补从而提高能源利用的目的。目前现有的工作有将两种或多种能量收集装置(比如摩擦纳米发电机和太阳能电池)集成在一起，通过电路设计，将各个能量收集装置的输出都储存在锂离子电池/超级电容器中。
发明内容
本发明的发明人发现，现有技术中的将两种或多种能量收集装置集成在一起均是将独立的两种或多种能量收集装置集成在一起，但是，像这样独立元件的集成对于减小能量损耗和简化工艺制作的作用并不显著。
本发明的一个目的是要简化能量收集装置的结构，减少或者消除各个单元之间的外部连接，从而降低整个系统的体积或重量，简化工艺制作。
本发明一个进一步的目的是要解决当太阳能电池和摩擦纳米发电机集成在一起时，如何保证具有两者的功能且不影响太阳能电池的吸光度。
本发明另一个进一步的目的是要将各个能量收集装置的输出均存储在储能装置如蓄电池/超级电容器中的同时，降低整个系统的体积或重量，从而减小能量损耗。
本发明另一个进一步的目的是要设计出一种电路，以保证两种能量收集装置将其产生的电能存储在储能装置中时，相互不影响其正常工作。
本发明提供了一种共享电极的能量收集装置，包括太阳能电池和摩擦纳米发电机，所述太阳能电池和所述摩擦纳米发电机包括一共同使用的第一电极。
可选地，所述摩擦纳米发电机还包括摩擦层，所述摩擦层的材料选择成能够透光且具有好的疏水性能。
可选地，所述太阳能电池包括：
电子空穴传输层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
第一电极，其形成在所述第一表面处；和
第二电极，其形成在所述第二表面处。
可选地，所述摩擦层形成在所述第一电极的表面。
其中，该能量收集装置的形状可以为任意形状，例如平板状、纤维状或具有柔性特性的结构形状等。
特别地，本发明还提供了一种具有上述的共享电极的能量收集装置的能源系统，包括：
储能电路；
双掷开关，其设置在所述储能电路上，包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述双掷开关的输入端与能量收集装置的输出端相连，并设置成允许选择性地连接所述第一输出端或所述第二输出端；
整流桥，其设置在所述储能电路上，所述整流桥的其中一个输入端与所述第一输出端相连；
储能装置，其设置在所述储能电路上，所述储能装置的输入端与所述第二输出端相连，以在所述双掷开关的所述输入端与所述第二输出端相连时，使太阳能电池向所述储能装置供应电能；
其中，所述整流桥的其中一个输出端连接在所述第二输出端和储能装置之间的电路上，以在所述双掷开关的所述输入端与所述第一输出端相连时，使摩擦纳米发电机发出的交流电经所述整流桥的整流后向所述储能装置供应电能。
可选地，所述能源系统还包括：
二极管，其设置在所述储能装置和所述能量收集装置之间的电路上，用于防止电流回流。
可选地，所述二极管的输出端与所述能量收集装置的第二电极相连接。
可选地，所述整流桥的另一个输出端连接在所述储能装置和二极管之间的电路上。
可选地，所述整流桥的另一个输入端接地线。
可选地，所述能量收集装置中的摩擦层接地线。
本发明的发明人开创性地研发出该共用电极的能量收集装置，与现有技术中的各个相互独立的能量收集装置集成在一起的方案相比，不仅实现了体积和重量上的减小，而且减少了器件的材料用料，消除了各单元之间的外部电路的连接，这有助于降低能量消耗，提高效率。
根据本发明的方案，本发明的能源系统在太阳能充足时，可以使用太阳能电池为储能装置充电，在太阳能不足，从而使得太阳能电池无法收集足够的太阳能时，可以利用摩擦纳米发电机收集环境机械能进行发电，从而为储能装置充电。由此，不仅实现了优势互补，从而提高能源利用率，而且由于能量收集装置共用电极，极大地降低了其重量以及体积，从而减小了能量损耗。此外，本发明的发明人基于该能量收集装置开创性地设计出了本发明的能源系统，由此可以保证太阳能电池和摩擦纳米发电机在工作时相互不产生影响。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的共享电极的能量收集装置的示意性结构图；
图2是根据本发明一个实施例的共享电极的能量收集装置的制备方法的示意性流程图；
图3是根据本发明一个实施例的能量收集装置中摩擦纳米发电机的开路电压和短路电流的输出曲线图；
图4是根据本发明一个实施例的能量收集装置中太阳能电池的电流密度-电压曲线图；
图5是在太阳能电池表面增加一层PDMS膜后对太阳能电池吸光度的影响的示意性曲线图；
图6是根据本发明一个实施例的具有图1所示的能量收集装置的能源系统的示意性原理图，其中，实心箭头示出了当双掷开关的输入端与第一输出端相连时的电流流向，空心箭头示出了当双掷开关的输入端与第二输出端相连时的电流流向；
图7是根据本发明一个实施例的对能源系统中太阳能电池部分的光电转换效率的测试图。
图8是根据本发明一个实施例的能量收集装置向储能装置充电的充电曲线图。
附图标记：
10-能量收集装置，
11-摩擦纳米发电机，
111-第一电极，
112-摩擦层，
12-太阳能电池，
121-电子空穴传输层，
122-第二电极，
20-双掷开关，
21-双掷开关的输入端，
22-第一输出端，
23-第二输出端，
30-整流桥，
40-储能装置，
50-二极管。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施例的共享电极的能量收集装置的示意性结构图。如图1所示，该能量收集装置10可以包括太阳能电池12和摩擦纳米发电机11。其中，太阳能电池12和摩擦纳米发电机11具有一共同使用的第一电极111。本发明的发明人开创性地研发出该共用电极的能量收集装置10，与现有技术中的各个相互独立的能量收集装置10集成在一起的方案相比，不仅实现了体积和重量上的减小，而且减少了器件的材料用料，消除了各单元之间的外部电路的连接，这有助于降低能量消耗，提高效率。
该太阳能电池12还可以包括电子空穴传输层121和第二电极122。该电子空穴传输层121具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面。第一电极111形成在该第一表面处，第二电极122形成在该第二表面处。该摩擦纳米发电机11还包括一摩擦层112。该摩擦层112形成在第一电极111的表面。为了避免影响太阳能电池12的吸光度，该摩擦层112的材料选择成能够透光的材料。又由于太阳能电池12需与外界环境接触，该摩擦层112还需具有好的疏水性能。
在一个实施例中，该能量收集装置10中摩擦纳米发电机11的摩擦层112可以选择为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，第一电极111可以选择为聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐/银(PEDOT:PSS/Ag)。该能量收集装置10中太阳能电池12的种类可以是Si/PEDOT:PSS杂化太阳能电池12。该太阳能电池12的第一电极111与摩擦纳米发电机11的材料相同，为PEDOT:PSS/Ag。第二电极122为铝(Al)，SiOx作为钝化层。
图2示出了根据本发明一个实施例的共享电极的能量收集装置的制备方法的示意性流程图。如图2所示，上述实施例中能量收集装置10的制备方法，包括如下步骤：
S100、清洗硅片，以去除硅片表面的有机物、有污染的金属原子、多种金属离子以及氧化层；
S200、在PEDOT:PSS溶液中加入DMSO(5％)和含氟表面活性剂(0.1％)，并混合均匀以配置成PEDOT:PSS混合溶液；
S300、在硅片上旋涂PEDOT:PSS混合溶液，再在加热台上进行退火处理；
S400、将旋涂了PEDOT:PSS的硅片(旋涂PEDOT:PSS的表面为硅片的第一表面)置入热蒸镀仪，生长银栅正电极，以形成PEDOT:PSS/Ag电极；
S500、在步骤S400中的硅片的背面(即硅片的第二表面)生产铝电极；
S600、提供一PDMS透明膜，将该PDMS透明膜放置在生长有PEDOT:PSS/Ag电极的硅片的表面上。
在一个实施例中，步骤S100包括如下步骤：
S101、将硅片切成20×20mm2方形硅片，将切好的硅片放入丙酮、乙醇和去离子水中分别超声10-20min；
S102、使用H2SO4-H2O2-H2O试剂组合进行清洗，其中，H2SO4和H2O2体积比是1：3，温度为100-130℃，操作目的主要是去除硅片上的有机物；
S103、使用体积比为1:1:6的NH4OH-H2O2-H2O试剂组合在80℃下进行清洗，以进行碱性氧化，从而去除硅片上的颗粒，清除硅片表面有机物和一些有污染的金属原子；
S104、使用体积比为1：1：6的HCl-H2O2-H2O试剂组合在80℃下进行清洗，以实现酸性氧化，从而溶解多种金属离子；
S105、使用体积比为1：5的HF和H2O试剂在25℃下进行清洗，以利用HF能够溶解二氧化硅的特性，去掉硅片表面的氧化层。
上述步骤S102中H2SO4-H2O2-H2O试剂组合的体积比还可以是1:2:4、1:4:6或1:5:9，也可以是1:2-5：4-9中任一体积比。在步骤S103中，NH4OH-H2O2-H2O试剂组合的体积比还可以是1:2:8、1:3:10或1:5:13，也可以是1:1-5：6-13中任一体积比，温度可以是50-100℃中任一温度。在步骤S104中，HCl-H2O2-H2O试剂组合的体积比还可以是1:2:8、1:3:10或1:5:13，也可以是1:1-5：6-13中任一体积比，温度可以是50-100℃中任一温度。在步骤S105中，HF和H2O的体积比还可以是1:3、1:4、1:6、1:8或1:10，也可以是1:3-10中任一体积比，温度可以是20-40℃中任一温度。上述清洗硅片的各个步骤中的试剂组合、配比以及温度是为制作出性能优异的能量收集装置10所做重要的准备工作，是发明人经过大量实验验证效果优异的清洗步骤及数据。
在一个实施例中，步骤S200中，在PEDOT:PSS溶液中加入DMSO(5％)和含氟表面活性剂(0.1％)之后，还包括抽滤步骤，以去除溶液中的大颗粒。
在一个实施例中，步骤S300具体包括如下步骤：
S301、将硅片放在匀胶机上；
S302、以1000-1200rpm/min的速度旋涂PEDOT:PSS混合溶液；
S303、在加热台上在100-200℃下退火5-20min。
其中，在步骤S302中，旋涂速度例如可以是1000rpm/min、1100rpm/min或1200rpm/min。步骤S303中，退火温度例如可以是100℃、120℃、140℃、160℃、180℃或200℃，退火时间例如可以是5min、10min、15min或20min。
在步骤S400中，银栅正电极的厚度为100-300nm，其中，热蒸发沉积的速度是前10-30nm是0.2-0.5nm/s，后面厚度的速度是0.5-2nm/s。例如，银栅正电极的厚度为200nm，其中，热蒸发沉积的速度是前10nm是0.5nm/s，后面厚度的速度是1nm/s。步骤S500中的铝电极的厚度可以是100-300nm，例如可以是100nm、200nm或300nm。
在一个实施例中，步骤S600可以包括以下步骤：
S601、将PDMS和固化剂按10：1质量比例均匀搅拌混合，用一次性注射取2mL溶液灌入到设计模型中；
S602、在60℃下稳定2小时后，PDMS溶液凝固成一层透明膜，将其从模型中撕下来；
S603、将PDMS膜剪裁后放置在生长有PEDOT:PSS/Ag电极的硅片的表面上。
图3示出了根据本发明一个实施例的能量收集装置中摩擦纳米发电机11的开路电压和短路电流的输出曲线图。由图3可知，当双掷开关的输入端21掷向第一输出端22时，该摩擦纳米发电机11的开路电压和短路电流分别可以达到2.14V和33.0nA。图4示出了根据本发明一个实施例的能量收集装置中太阳能电池12的电流密度-电压曲线图。由图4可知，当双掷开关的输入端21掷向第二输出端23时，太阳能电池12产生的开路电压和短路电流分别为0.612V和29.4mA/cm2。
图5示出了在太阳能电池表面增加一层PDMS膜后对太阳能电池吸光度的影响的示意性曲线图。由图5可知，在太阳能电池12表面增加一层PDMS膜后对太阳能电池12吸光度的影响不大。
上述实施例是发明人经过大量实验验证获得的效果优异的能量收集装置10。可以理解的是，太阳能电池12也可以是其他类型的太阳能电池12，例如有机太阳能电池12、钙钛矿太阳能电池12等。摩擦纳米发电机11的摩擦层112也可以为其他材料，只要该摩擦层112材料的疏水性能好、透明度高且导电性差即可。
在一个实施例中，电子空穴传输层121的材料可以是PEDOT:PSS/P3HT，第一电极111的材料可以是ITO，第二电极122的材料可以是Al/Ag，摩擦层112的材料可以是PET。在另一个实施例中，电子空穴传输层121的材料可以是CdS/电解质，第一电极111的材料可以是ITO/TiO2，第二电极122的材料可以是Pt，摩擦层112的材料可以是PET。其中，该能量收集装置的形状可以为任意形状，例如平板状、纤维状或具有柔性特性的结构形状等。
图6示出了根据本发明一个实施例的具有图1所示的能量收集装置的能源系统的示意性原理图。如图6所示，该能源系统可以包括储能电路、双掷开关20、整流桥30和储能装置40。该双掷开关20设置在储能电路上，包括输入端、第一输出端22和第二输出端23，双掷开关的输入端21与能量收集装置10的输出端相连，并设置成允许选择性地连接第一输出端22或第二输出端23。整流桥30设置在储能电路上，整流桥30的其中一个输入端与第一输出端22相连，整流桥30具有至少一个输出端。储能装置40设置在储能电路上，储能装置40的输入端与第二输出端23相连，以在双掷开关的输入端21与第二输出端23相连时，使太阳能电池12向储能装置40供应电能。其中，整流桥30的其中一个输出端连接在第二输出端23和储能装置40之间的电路上，以在双掷开关的输入端21与第一输出端22相连时，使摩擦纳米发电机11发出的交流电经整流桥30的整流后向储能装置40供应电能。其中，图6中的实心箭头示出了当双掷开关的输入端21与第一输出端22相连时的电流流向，空心箭头示出了当双掷开关的输入端21与第二输出端23相连时的电流流向。
在一个实施例中，能量收集装置10的第一电极111与双掷开关的输入端21相连。能量收集装置10的摩擦层112接地线。储能装置40可以是蓄电池或超级电容器。
在一个实施例中，该能源系统还可以包括二极管50。该二极管50设置在储能装置40和能量收集装置10之间的电路上，用于防止电流回流。其中，二极管50的输出端与能量收集装置10的第二电极122相连接。在一个实施例中，整流桥30可以包括两个输出端。其中，第一个输出端连接在第二输出端23和储能装置40之间的电路上。第二个输出端连接在储能装置40和二极管50之间的电路上。整流桥的另一个输入端接地。
如图6所示，在一个实施例中，当双掷开关的输入端21掷向第一输出端22时，摩擦纳米发电机11以单电极模式收集机械能后将其转为电能，如图3所示，该摩擦纳米发电机11的开路电压和短路电流分别可以达到2.14V和33.0nA。交流电流经过整流桥30后变为直流电流，并向电容器充电。当双掷开关的输入端21掷向第二输出端23时，太阳能电池12产生的开路电压和短路电流分别为0.612V和29.4mA/cm2，其输出结果如图4所示。太阳能电池12可直接向储能装置40充电。其中，二极管50可有效地防止电流回流。
图7示出了根据本发明一个实施例的对能源系统中太阳能电池部分的光电转换效率的测试图。由图7可知，能量收集装置10中在太阳能电池12表面增加一层PDMS膜后，太阳能电池12的光电转换效率可以保持在12.6％左右，这与单个太阳能电池12的光电效率相匹配。由此证明了增加的PDMS膜不会影响太阳能电池12的正常工作。
图8示出了根据本发明一个实施例的能量收集装置向储能装置充电的充电曲线图。如图8所示，太阳能电池12向储能装置40充电时，4s内电压可以达到0.6V，但是之后不会继续升高。然后用摩擦纳米发电机11向储能装置40充电时，经过165s后，电压从0.6V增加到0.9V，而且可以不断增大。这证明了本发明的能源系统中太阳能电池12和摩擦纳米发电机11的优势互补性。
根据本发明的方案，本发明的能源系统在太阳能充足时，可以使用太阳能电池12为储能装置40充电，在太阳能不足，从而使得太阳能电池12无法收集足够的太阳能时，可以利用摩擦纳米发电机11收集环境机械能进行发电，从而为储能装置40充电。由此，不仅实现了优势互补，从而提高能源利用率，而且由于能量收集装置10共用电极，极大地降低了其重量以及体积，从而减小了能量损耗。此外，本发明的发明人基于该能量收集装置10开创性地设计出了本发明的能源系统，由此保证了太阳能电池12和摩擦纳米发电机11在工作时相互不产生影响。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种共享电极的能量收集装置，其特征在于，包括太阳能电池和摩擦纳米发电机，所述太阳能电池和所述摩擦纳米发电机包括一共同使用的第一电极。
2.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电机还包括摩擦层，所述摩擦层的材料选择成能够透光且具有好的疏水性能。
3.根据权利要求2所述的能量收集装置，其特征在于，所述太阳能电池包括：
电子空穴传输层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
第一电极，其形成在所述第一表面处；和
第二电极，其形成在所述第二表面处。
4.根据权利要求3所述的能量收集装置，其特征在于，所述摩擦层形成在所述第一电极的表面。
5.一种具有如权利要求1-4中任一项所述的共享电极的能量收集装置的能源系统，其特征在于，包括：
储能电路；
双掷开关，其设置在所述储能电路上，包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述双掷开关的输入端与能量收集装置的输出端相连，并设置成允许选择性地连接所述第一输出端或所述第二输出端；
整流桥，其设置在所述储能电路上，所述整流桥的其中一个输入端与所述第一输出端相连；
储能装置，其设置在所述储能电路上，所述储能装置的输入端与所述第二输出端相连，以在所述双掷开关的所述输入端与所述第二输出端相连时，使太阳能电池向所述储能装置供应电能；
其中，所述整流桥的其中一个输出端连接在所述第二输出端和储能装置之间的电路上，以在所述双掷开关的所述输入端与所述第一输出端相连时，使摩擦纳米发电机发出的交流电经所述整流桥的整流后向所述储能装置供应电能。
6.根据权利要求5所述的能源系统，其特征在于，还包括：
二极管，其设置在所述储能装置和所述能量收集装置之间的电路上，用于防止电流回流。
7.根据权利要求6所述的能源系统，其特征在于，所述二极管的输出端与所述能量收集装置的第二电极相连接。
8.根据权利要求6或7所述的能源系统，其特征在于，所述整流桥的另一个输出端连接在所述储能装置和二极管之间的电路上。
9.根据权利要求8所述的能源系统，其特征在于，所述整流桥的另一个输入端接地线。
10.根据权利要求5-7和9中任一项所述的能源系统，其特征在于，所述能量收集装置中的摩擦层接地线。
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