CN108103631A - 一种光伏电池织物与其它功能纤维共混纺织品的织造方法 - Google Patents

一种光伏电池织物与其它功能纤维共混纺织品的织造方法 Download PDF

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CN108103631A CN201611041714.2A CN201611041714A CN108103631A CN 108103631 A CN108103631 A CN 108103631A CN 201611041714 A CN201611041714 A CN 201611041714A CN 108103631 A CN108103631 A CN 108103631A
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Abstract

本发明公开了一种光伏电池织物与其它功能纤维共混纺织品的织造方法，光伏电池织物由具有纤维结构的多根光阳极和对电极组成；织造方法包括如下步骤：将光阳极、对电极以及其它功能纤维按照一定的组织规律分别布置在经线或纬线方向上，采用机织方式交错编织，即得；其中，布置方式采用下述任一一种：I、直接作为经线或纬线连接到牵引装置上；II、连接到其它纤维上再作为经线或纬线连接到牵引装置上；编织过程中经线与纬线的接触压强为1kPa‑10MPa，单根经线拉力为10‑3N‑10N。本发明的织造方法通过不同编织纹路的复合，使纺织品具有电子电路集成定制等多功能性，并且织物在180°弯曲角度下，仍能维持原本光电效率。

Description

一种光伏电池织物与其它功能纤维共混纺织品的织造方法
技术领域
本发明涉及一种光伏电池织物与其它功能纤维共混纺织品的织造方法。
背景技术
在电子产品发展日新月异的今天，可穿戴电子技术已经成为当前发展的潮流趋势；随着可穿戴电子产品给我们生活带来巨大变革的同时，对与之相匹配的柔性能源设备需求日益突出。但传统电池以硬性平板式结构为主，不可避免地存在抗外力能力欠佳，受空间限制大等结构性不足，制约了产品多样性设计和大面积电池模块的运输、安装及使用等。
柔性太阳能电池因具有相对更宽的应用领域等而备受关注。当前柔性太阳能电池的研究大多集中在聚合物/ITO基板上，且相应电池的效率已与传统光伏电池相当。不过脆性ITO膜的使用，极大限制了器件的灵活性；且大多数聚合物又存在耐热性和耐疲劳较差等缺陷。近年来，以柔性纤维太阳能电池等为代表的新型柔性能源器件的出现，将使电池基底不再局限于昂贵的透明导电玻璃，不仅降低柔性器件成本，且可与当今纺织技术混合使用，来制备染料敏化太阳能电池纺织品，已引起各界的广泛关注。
本发明的发明人范兴等早起申请的中国专利申请CN201310300847.7公开了一种纤维结构的染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法。纤维结构的灵活性和柔性，为太阳能电池纺织品的构建提供了更多的可能，金属纤维基底良好的导电性也为电池织物的大面积化提供了更多的便利。但是纤维缠绕式结构的太阳能电池由于本身长度所限存在受光面积与封装之间的问题使其无法大规模电源供电；而现有大面积太阳能电池模块的制备则多采用电极叠加的方式，其自身的封装、漏液、质量以及机械性能等问题，使其与真正意义上的可编织应用相距甚远。
为实现可编织应用，本发明的发明人范兴等在后续研究中提出了单独的染料敏化太阳能电池织物(Adv Mater.,2016,13,28(2),263-269)、太阳能电池与TENG的混合织物(Nature Energy,2016-09-12,DOI:10.1038/nenergy.2016.138)以及太阳能电池与超级电容器混合织物(ACS Nano,2016,10(10),9201-9207)等三种新型器件。由于传统的半导体器件在组装时都是由两块面积相当的电极面对面贴合而成，而织物器件中纤维形态的电极是相互交错的，这就要求器件组装工艺的巨大改变。再者，传统编织方式的经纬线通常均为单一材质的纤维，而太阳能电池与储能、机械能采集等其它功能织物的纤维材质不同，两者存在的界面效应不同，在编织过程中所能承受的抗拉强度差异也较大，不能简单沿用传统纺织工业的织布技术来编织太阳能电池和其它功能纤维的共混织物器件，这就给此类智能织物的编织带来了巨大挑战。然而，上述三篇文献均没有涉及太阳能电池和其它功能纤维共混编织的具体工艺条件，更没有涉及该如何控制共混编织工艺条件以获得综合性能佳的智能纺织品方面的内容。
因此，研发一种将太阳能电池与其它功能性的纤维电极或器件编织集成在一起，形成可穿戴的织物，使其具有轻薄、柔软、可穿戴、可折叠、透气性好等纺织品的优良性质，且能够通过对编织纹路的设计，丰富产品的外观多样性以及功能，并且可大规模生产应用的方法成了本领域重要研究的课题。
发明内容
为控制优化太阳能电池与其它功能性纤维电极或器件共混纺织品的编织集成工艺条件，本发明提供了一种光伏电池织物与其它功能纤维共混纺织品的织造方法。本发明通过编织的方式将光伏电池与其它功能性的电极或器件集成在一起，形成可以穿戴的、织物结构的能量采集、存储及应用集成系统；该方法操作简单，对设备的要求不高，生产成本相对低廉，并能够进行大规模的生产应用。本发明通过不同编织纹路的复合，使纺织品具有电子电路集成定制等多功能性的同时，不仅丰富了产品的外观多样性设计，还具有可折叠、透气性好等优良特性。采用本发明方法所得到的器件具有织物的新形态，构成器件的电极也具有新的纤维形态，而织物的应用需求决定了器件还能够织成各种不同的花纹。
本发明人在本发明的研发过程中发现，纤维界面的受力状态对器件性质有显著影响，编织过程中纤维界面压强、经线拉力、经纬连接方式等均对光伏电池织物与其它功能性电极或器件的共混织物性能具有重要影响，具体来说：
1、界面压强
不仅单一太阳能织物编织过程中的压强会对器件的光伏性能产生影响，传感、储能、天线、机械能采集等其它功能织物编织过程中的界面压强对器件的上述性能影响甚至比单一太阳能电池器件的还要大，而且不同织物的影响规律和最佳工艺点均不相同。因此，结合光伏电池及其它功能性电极或器件本身所存在的界面效应，必须严格控制编织过程中每根纤维之间的界面接触压强，而不同功能纤维交错时的界面接触压强也不同，这就需要严格并随时控制整个编织过程中经纬线间的界面压强，并且针对不同功能纤维之间的界面压强还要能够相应的随时调节，以求满足不同混合纹路、不同集成方案的需要，否则编织所得的器件将无法正常工作。
2、经线拉力
由于本发明的智能织物结构纺织品是由光伏电池和其它多种功能纤维共混编织而成，编织过程中涉及到比纱线复杂得多的半导体功能器件，在编织过程中不同种类器件所能承受的抗拉强度差异很大，必须对每一根经纬线拉力精确控制。其中用到的功能纤维，如传感器等，为了配合其本身电子传感功能的需要，通常制备而成的这类纤维细度较细，强力相对来说也比较低，如果这类纤维在整个编织过程中做经线使用的话，对经线的拉力要求就有局限性，如果张力过大、伸长过长以及梭口高度过高都可能会引起功能器件中半导体功能层的破坏。
3、经纬线连接方式
传统编织方式的整根经/纬线均为单一材质的纤维，由线轴上引出，而编织不同功能的织物需要多种不同的功能纤维采用不同的方式集成编织在纺织品上。对于纤维结构的功能器件而言，由于成本、功能特性、应用需求、编织纹路等因素，导致长度、粗细等均差异化很大。一方面，有时需要的功能纤维长度有限，并不适合做整条经线或者纬线；另一方面，有的器件由于粗细、柔性度等关系也不适合直接从缠绕的线轴上引出，甚至有时在同一根线轴上都要分段连接好几个不同类型的器件。因此，本发明编织过程中用到的经纬线是由所需的功能纤维连接到其它纤维或牵引装置上再作为经线或纬线固定在织机或飞梭上，这一技术在传统的机织过程中从未涉及。
最终本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。
本发明提供了一种光伏电池织物与其它功能纤维的共混纺织品的织造方法，所述光伏电池织物由具有纤维结构的多根光阳极和具有纤维结构的多根对电极组成；所述织造方法包括如下步骤：将所述光阳极、对电极以及其它功能纤维按照一定的组织规律分别布置在经线或纬线方向上，采用机织方式交错编织，即得；
其中，所述光阳极、对电极以及其它功能纤维在经线或纬线方向上的布置方式可采用下述任一一种：I、将所述光阳极、对电极以及其它功能纤维直接作为经线或纬线连接到织机的牵引装置上；II、将所述光阳极、对电极以及其它功能纤维的一端或两端连接到其它纤维上再作为经线或纬线连接到织机的牵引装置上；
其中，编织过程中经线与纬线的接触压强为1kPa-10MPa，单根经线的拉力范围为10-3N-10N。
本发明中，所述具有纤维结构的光阳极可为本领域常规使用的呈纤维状态的光阳极，工作时所述具有纤维结构的光阳极在光照下对外电路流出电子。较佳地，所述光阳极的单根直径为1μm-1mm。
其中，所述光阳极一般是在导电基底或在包裹导电材料的不导电基底上覆盖一层纳米半导体薄膜制备而成，制备方法和条件均可采用本领域常规方法和条件。其中，导电基底包括导电金属纤维丝，较佳地为复合导电金属纤维丝，举例如表面镀锰的铜丝；纳米半导体薄膜的材质包括无机半导体材料和有机半导体材料，举例如硅、染料敏化的纳米氧化物、钙钛矿、铜银镓硒、砷化嫁、硫化镉、硒化镉等，较佳地为染料敏化的纳米氧化物、钙钛矿或硫化镉。
本发明中，所述具有纤维结构的对电极可为本领域常规使用的呈纤维状态的对电极，例如表面镀金的铜丝，工作时所述具有纤维结构的对电极在光照下由外电路流入电子。较佳地，所述对电极的单根直径为1μm-1mm。
本发明中，所述其它功能纤维是指除光伏电池织物纤维外的其它功能纤维，包括呈纤维状态的功能材料、结构材料或复合材料，较佳地，所述其它功能纤维为具有传感、天线、能量存储或能量采集功能的呈纤维状态的电极或器件，例如纤维状超级电容器、纤维状传感器、纤维状天线。较佳地，所述其它功能纤维的直径为5μm-1cm，长径比大于10:1。
本发明中，所述按照一定的组织规律是指本领域技术人员可按照实际所需的编织纹路，根据经纬组织规律将所需的光阳极、对电极以及其它功能纤维分别布置在经线或纬线方向上。其中，根据集成的光伏电池织物和其它功能纤维的材质可常规选择光阳极、对电极和其它功能纤维作为经线还是纬线。本领域中各种常规的织物组织规律均可用于本发明光伏电池织物与其它功能纤维的共混编织。
本发明中，所述采用机织方式交错编织一般在本领域常规使用的机织装置上进行，根据本领域常识，织机遵循相应的时间序列，通常包括相互协调的开口、引纬、打纬、送经、卷取五大运动。
较佳地，所述采用机织方式交错编织可采用飞梭织造方式交错编织，所述飞梭织造方式可按照本领域常规使用的飞梭织造的方法和条件进行，一般按照如下步骤进行：将经线的一端由经轴引出，另一端穿过综框固定在织轴上，在编织过程中通过调节综框上下，可以改变经线的交错方向；经线在综框的牵引下分为上、下两层，中间形成梭口，纬线在引纬器的牵引下穿过梭口，然后再次调节综框上下，改变经线的交错方向，使梭口闭合，并将纬线推向织口，使经线与纬线相互交织，形成新的梭口，之后纬线在引纬器的牵引下再次穿过梭口，重复上述过程，从而形成织物，具体可参考附图1的织造过程示意图和附图2的织物编织结构示意图。较佳地，在交错编织过程中，经线间距为0.01mm-10mm，纬线间距为0.01mm-10mm。
本发明中，在所述交错编织过程中，经线与纬线的接触压强较佳地为0.2MPa-0.7MPa。
本发明中，在所述交错编织过程中，本领域技术人员均知晓经线和纬线的拉力应保持稳定。其中，单根纬线的拉力范围可采用本领域常规拉力范围，较佳地为10-3N-10N。其中，所述编织过程中单根经线的拉力范围较佳地为0.005N-0.02N。
本发明中，在所述交错编织过程中，通过改变经线交错的方式，即可编织得到平纹、斜纹、缎纹三种基本编织花纹，在此基础上通过上述三种基本编织花纹的组合即可得到其他任意编织花纹，例如典型平纹、2/1斜纹、3/1斜纹、5/3缎纹、8/5缎纹、平纹与3/1斜纹混合编织结构纹路、平纹和2/1斜纹与5/3缎纹混合编织结构纹路。
其中，所述平纹、斜纹、缎纹的编织方式均可采用本领域常规使用的编织方法进行。在一典型的平纹织造过程中，经线和纬线以一上一下的规律交织，经线开口上下方向为一上一下交替分布，当纬线穿过后，经线开口方向上下交换，当穿过下一根纬线以后经线开口方向再次交换，然后反复重复上述过程。平纹织造过程的经线运动方向如下表1所示。
表1每一轮经线交错时的经线运动方向
其中，在一典型的斜纹织造过程中，经线与纬线可以一上二下、二上二下、三上一下等规律交织，例如斜纹织造过程中经线开口上下方向为一上二下交替分布，当纬线穿过后，经线开口方向上下交换，当穿过下一根纬线以后经线开口方向再次交换，然后反复重复上述过程，具体的经线运动方向可如下表2所示。
表2每一轮经线交错时的经线运动方向
经线1 经线2 经线3 经线4 经线5 经线6 经线7 经线8 经线9 ……
1st 下 下 上 下 下 上 下 下 上 ……
2nd 下 上 下 下 上 下 下 上 下 ……
3rd 上 下 下 上 下 下 上 下 下 ……
4th 下 下 上 下 下 上 下 下 上 ……
5th 下 上 下 下 上 下 下 上 下 ……
6th 上 下 下 上 下 下 上 下 下 ……
7th 下 下 上 下 下 上 下 下 上 ……
8th 下 上 下 下 上 下 下 上 下 ……
9th 上 下 下 上 下 下 上 下 下 ……
10th 下 下 上 下 下 上 下 下 上 ……
11th 下 上 下 下 上 下 下 上 下 ……
12th 上 下 下 上 下 下 上 下 下 ……
13th 下 下 上 下 下 上 下 下 上 ……
14th 下 上 下 下 上 下 下 上 下 ……
15th 上 下 下 上 下 下 上 下 下 ……
其中，在一典型的缎纹织造过程中，经线与纬线可按照各种常规的缎纹组织规律交织，包括加强缎纹、变则缎纹、重缎缎纹、阴影缎纹等组织，例如缎纹织造过程中经线开口上下方向为一上四下交替分布，当纬线穿过后，经线开口方向上下交换，当穿过下一根纬线以后经线开口方向再次交换，然后反复重复上述过程，具体的经线运动方向可如下表3所示。
表3每一轮经线交错时的经线运动方向
经线1 经线2 经线3 经线4 经线5 经线6 经线7 经线8 经线9 ……
1st 下 上 下 下 下 下 上 下 下 ……
2nd 下 下 下 下 上 下 下 下 下 ……
3rd 下 下 上 下 下 下 下 上 下 ……
4th 上 下 下 下 下 上 下 下 下 ……
5th 下 下 下 上 下 下 下 下 上 ……
6th 下 上 下 下 下 下 上 下 下 ……
7th 下 下 下 下 上 下 下 下 下 ……
8th 下 下 上 下 下 下 下 上 下 ……
9th 上 下 下 下 下 上 下 下 下 ……
10th 下 下 下 上 下 下 下 下 上 ……
11th 下 上 下 下 下 下 上 下 下 ……
12th 下 下 下 下 上 下 下 下 下 ……
13th 下 下 上 下 下 下 下 上 下 ……
14th 上 下 下 下 下 上 下 下 下 ……
15th 下 下 下 上 下 下 下 下 上 ……
本发明中，根据集成的光伏电池织物和其它功能纤维的不同材质及所需的器件性能，可具体选择编织纹路、功能纤维长度和编织方式。例如，对于光伏电池织物，需要提高其受光面积，可选择采取遮蔽较少的编织纹路；又如，对于传感器的集成，在整个智能纺织品中传感器模块只占一小部分，所需的传感器纤维长度就很短，可与其它纤维紧密连接在一起做经纬线；再如，对于天线的集成，编织方式需要不停进行弯折回绕，就比较适合做纬线进行编织，同时由于整个织物中只有某一部分用到天线，需在编织途中更换经纬线进行分段编织，即在天线编织完后，更换其它纤维继续编织。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
(1)本发明的光伏电池织物与其它功能纤维的共混织造方法，通过编织的方式将太阳能电池与其它功能性的电极或器件集成在一起，该方法操作简单，对设备的要求不高，生产成本相对低廉，并能够进行大规模的生产应用。
(2)本发明通过不同编织纹路的复合，使纺织品具有电子电路集成定制等多功能性的同时，不仅丰富了产品的外观多样性设计，还具有可折叠、透气性好等优良特性，并且织物在180°弯曲角度下，仍能维持原本光电效率。
附图说明
图1为织造过程的示意图。
图2为织物编织结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
下述实施例中，所用编织方式均为机织方式。
下述实施例中，所用原料和试剂均市售可得。
实施例1--染料敏化太阳能电池与超级电容器平纹共混纺织品的制备
将表面镀锰(锰层厚度10nm)的铜丝清洗干净，自然晾干。将复合金属纤维浸泡于等体积混合的乙酸锌和六次甲基四胺溶液中，取出吹干，置于加热板上烧结，得到表面覆有氧化锌纳米颗粒层的Cu/Mn复合金属纤维。将得到的复合金属纤维垂直悬挂于水热反应釜中，在水热釜中配置乙酸锌溶液和六次甲基四胺溶液，然后进行水热反应。取出，即可得到表面覆有氧化锌纳米阵列层(纳米阵列厚度约500nm)的Cu/Mn复合金属纤维。然后，再将其浸入联吡啶钌N719染料的乙醇溶液中，浸泡取出晾干，并置于加热板上，涂覆CuI电解质，即得到纤维结构的固态柔性染料敏化太阳能电池用光阳极。单根光阳极的直径为0.2mm。
选取表面包裹有10nm的Au的铜丝作为纤维结构的对电极。单根对电极的直径为0.05mm。
选取包裹碳化钛的钛丝做电极，以KOH/PVA作电解质封装而成的纤维超级电容器做工作电极。单根工作电极的直径为0.3mm。
将纤维结构对电极在其他纤维的牵引下做经线固定在编织机的综框上，经线之间间距为1mm。在梭口处，经线开口上下方向为一上一下交替，通过综框控制经线升降次序如表1所示；在综框升降的过程中，将纤维结构光阳极做纬线引入梭口，梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.2MPa，经线拉力为0.01N。再次改变综框的升降次序，将纤维状超级电容器一端连接在棉线上做纬线引入梭口，然后梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.4MPa。多次重复上述步骤，使经纬丝相互交织，即可得到平纹光伏电池织物。
在标准光源(100mW·cm-2)下进行测试，测得的电池织物短路电流为6.7mW·cm-2，开路电压为0.39V，转换效率为0.8％，且在180°的弯折角度下仍能保持98％的光电性能，可在100s内使2μF的超级电容器充电完全。
实施例2--染料敏化太阳能电池与传感器2/1斜纹共混纺织品的制备
将表面镀锰(锰层厚度10nm)的铜丝清洗干净，自然晾干。将复合金属纤维浸泡于等体积混合的乙酸锌和六次甲基四胺溶液中，取出吹干，置于加热板上烧结，得到表面覆有氧化锌纳米颗粒层的Cu/Mn复合金属纤维。将得到的复合金属纤维垂直悬挂于水热反应釜中，在水热釜中配置乙酸锌溶液和六次甲基四胺溶液，然后进行水热反应。取出，即可得到表面覆有氧化锌纳米阵列层(纳米阵列厚度约500nm)的Cu/Mn复合金属纤维。然后，再将其浸入联吡啶钌N719染料的乙醇溶液中，浸泡取出晾干，并置于加热板上，涂覆CuI电解质，即得到纤维结构的固态柔性染料敏化太阳能电池用光阳极。单根光阳极的直径为0.2mm。
选取表面包裹有10nm的Au的铜丝作为纤维结构的对电极。单根对电极的直径为0.05mm。
选取纤维状传感器做工作电极。单根工作电极的直径为0.25mm。
将纤维结构对电极在其他纤维的牵引下做经线固定在编织机的综框上，经线之间间距为1mm。在梭口处，经线开口上下方向为一上两下交替，通过综框控制经线升降次序如表2所示；在综框升降的过程中，将纤维结构光阳极做纬线引入梭口，梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.3MPa，经线拉力为0.005N。再次改变综框的升降次序，将两端均连接棉线的纤维状传感器做纬线引入梭口，然后梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.5MPa。多次重复上述步骤，使经纬丝相互交织，即可得到2/1斜纹光伏电池织物。
在标准光源(100mW·cm-2)下进行测试，测得的电池织物短路电流为6.2mW·cm-2，开路电压为0.41V，转换效率为0.76％，且在180°的弯折角度下仍能保持96％的光电性能，可驱动传感器正常工作。
实施例3--钙钛矿太阳能电池与天线5/3缎纹共混纺织品的制备
将表面镀锰(锰层厚度10nm)的铜丝清洗干净，自然晾干。将复合金属纤维浸泡于等体积混合的乙酸锌和六次甲基四胺溶液中，取出吹干，置于加热板上烧结，得到表面覆有氧化锌纳米颗粒层(纳米颗粒层厚度250nm)的Cu/Mn复合金属纤维。置于加热板上，100℃下涂覆钙钛矿层(钙钛矿层厚度500nm)，然后常温下涂覆Spiro-MeOTAD电子传输层(电子传输层厚度100nm)，即得到纤维结构的固态柔性钙钛矿太阳能电池用光阳极。单根光阳极的直径为0.15mm。
选取表面包裹有10nm的Au的铜丝作为纤维结构的对电极。单根对电极的直径为0.05mm。
选取纤维状天线做工作电极。单根工作电极的直径为0.3mm。
将纤维结构对电极在其他纤维的牵引下做经线固定在编织机的综框上，经线之间间距为1mm。在梭口处，经线开口上下方向为一上四下交替，通过综框控制经线升降次序如表3所示；在综框升降的过程中，将纤维结构光阳极做纬线引入梭口，梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.1MPa。再次改变综框的升降次序，将纤维状天线直接做纬线引入梭口，然后梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.3MPa，经线拉力为0.006N。多次重复上述步骤，使经纬丝相互交织，即可得到5/3缎纹光伏电池织物。
电池织物短路电流为8.5mW·cm-2，开路电压为0.63V，转换效率为1.1％，，且在180°的弯折角度下仍能保持98％的光电性能，可驱动天线正常工作。
实施例4--钙钛矿太阳能电池与超级电容器平纹共混纺织品的制备
将表面镀锰(锰层厚度10nm)的铜丝清洗干净，自然晾干。将复合金属纤维浸泡于等体积混合的乙酸锌和六次甲基四胺溶液中，取出吹干，置于加热板上烧结，得到表面覆有氧化锌纳米颗粒层(纳米颗粒层厚度250nm)的Cu/Mn复合金属纤维。置于加热板上，100℃下涂覆钙钛矿层(钙钛矿层厚度500nm)，然后常温下涂覆Spiro-MeOTAD电子传输层(电子传输层电子传输层厚度100nm)，即得到纤维结构的固态柔性钙钛矿太阳能电池用光阳极。单根光阳极的直径为0.15mm。
选取表面包裹有10nm的Au的铜丝作为纤维结构的对电极。单根对电极的直径为0.05mm。
选取包裹碳化钛的钛丝做电极，以KOH/PVA作电解质封装而成的纤维超级电容器做工作电极。单根工作电极的直径为0.3mm。
将纤维结构对电极在其他纤维的牵引下做经线固定在编织机的综框上，经线之间间距为1mm。在梭口处，经线开口上下方向为一上一下交替，通过综框控制经线升降次序如表1所示；在综框升降的过程中，将纤维结构光阳极做纬线引入梭口，梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.2MPa，经线拉力为0.012N。再次改变综框的升降次序，将纤维状超级电容器一端连接在棉线上做纬线引入梭口，然后梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.4MPa。多次重复上述步骤，使经纬丝相互交织，即可得到平纹光伏电池织物。
在标准光源(100mW·cm-2)下进行测试，测得的电池织物短路电流为12.5mW·cm-2，开路电压为0.83V，转换效率为1.5％，且在180°的弯折角度下仍能保持96％的光电性能，可在45s内使2μF的超级电容器充电完全。
实施例5--半导体敏化太阳能电池与传感器2/1斜纹共混纺织品的制备
将表面镀锰(锰层厚度10nm)的铜丝清洗干净，自然晾干。已复合纤维为阴极，金属Pt片为阳极，采用恒电流模式在纤维表面电沉积CdS纳米晶，恒电流0.5mA/cm-2的条件下电沉积速率为5nm/min，沉积时间为10min。得到表面覆有CdS纳米晶(CdS纳米晶厚度200nm)的复合金属纤维，封装电解质后得到柔性半导体太阳能电池光阳极。单根光阳极的直径为0.1mm。
选取表面包裹有10nm的Au的铜丝作为纤维结构的对电极。单根对电极的直径为0.05mm。
选取纤维状传感器做工作电极。单根工作电极的直径为0.25mm。
将纤维结构对电极在其他纤维的牵引下做经线固定在编织机的综框上，经线之间间距为1mm。在梭口处，经线开口上下方向为一上二下交替，通过综框控制经线升降次序如表2所示；在综框升降的过程中，将纤维结构光阳极做纬线引入梭口，梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.45MPa，经线拉力为0.015N。再次改变综框的升降次序，将两端均连接棉线的纤维状传感器做纬线引入梭口，然后梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.7MPa。多次重复上述步骤，使经纬丝相互交织，即可得到2/1斜纹光伏电池织物。
在标准光源(100mW·cm-2)下进行测试，测得的电池织物短路电流为5.3mW·cm-2，开路电压为0.38V，转换效率为0.6％，且在180°的弯折角度下仍能保持95％的光电性能，可驱动传感器正常工作。
实施例6--半导体敏化太阳能电池与天线5/3缎纹共混纺织品的制备
将表面镀锰(锰层厚度10nm)的铜丝清洗干净，自然晾干。已复合纤维为阴极，金属Pt片为阳极，采用恒电流模式在纤维表面电沉积CdS纳米晶，恒电流0.5mA/cm-2的条件下电沉积速率为5nm/min，沉积时间为10min。得到表面覆有CdS纳米晶(CdS纳米晶厚度200nm)的复合金属纤维，封装电解质后得到柔性半导体太阳能电池光阳极。单根光阳极的直径为0.1mm。
选取表面包裹有10nm的Au的铜丝作为纤维结构的对电极。单根对电极的直径为0.05mm。
选取纤维状天线做工作电极。单根工作电极的直径为0.3mm。
将纤维结构对电极在其他纤维的牵引下做经线固定在编织机的综框上，经线之间间距为1mm。在梭口处，经线开口上下方向为一上四下交替，通过综框控制经线升降次序如表3所示；在综框升降的过程中，将纤维结构光阳极做纬线引入梭口，梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.35MPa。再次改变综框的升降次序，将纤维状天线直接做纬线引入梭口，然后梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为0.65MPa，经线拉力为0.02N。多次重复上述步骤，使经纬丝相互交织，即可得到5/3缎纹光伏电池织物。
在标准光源(100mW·cm-2)下进行测试，测得的电池织物短路电流为4.2mW·cm-2，开路电压为0.35V，转换效率为0.5％，且在180°的弯折角度下仍能保持97％的光电性能，可驱动天线正常工作。
对比例--染料敏化太阳能电池与超级电容器平纹共混纺织品的制备
将表面镀锰(锰层厚度10nm)的铜丝清洗干净，自然晾干。将复合金属纤维浸泡于等体积混合的乙酸锌和六次甲基四胺溶液中，取出吹干，置于加热板上烧结，得到表面覆有氧化锌纳米颗粒层的Cu/Mn复合金属纤维。将得到的复合金属纤维垂直悬挂于水热反应釜中，在水热釜中配置乙酸锌溶液和六次甲基四胺溶液，然后进行水热反应。取出，即可得到表面覆有氧化锌纳米阵列层(纳米阵列厚度约500nm)的Cu/Mn复合金属纤维。然后，再将其浸入联吡啶钌N719染料的乙醇溶液中，浸泡取出晾干，并置于加热板上，涂覆CuI电解质，即得到纤维结构的固态柔性染料敏化太阳能电池用光阳极。单根光阳极的直径为0.2mm。
选取表面包裹有10nm的Au的铜丝作为纤维结构的对电极。单根对电极的直径为0.05mm。
选取包裹碳化钛的钛丝做电极，以KOH/PVA作电解质封装而成的纤维超级电容器做工作电极。单根工作电极的直径为0.3mm。
将纤维结构对电极在其他纤维的牵引下做经线固定在编织机的综框上，经线之间间距为1mm。在梭口处，经线开口上下方向为一上一下交替，通过综框控制经线升降次序如表1所示；在综框升降的过程中，将纤维结构光阳极做纬线引入梭口，梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为12MPa，经线拉力为1N。再次改变综框的升降次序，将纤维状超级电容器一端连接在棉线上做纬线引入梭口，然后梭口闭合，控制经纬线间的接触压强为15MPa。多次重复上述步骤，使经纬丝相互交织，即可得到平纹光伏电池织物。
在标准光源(100mW·cm-2)下进行测试，测得的电池织物短路电流为0.5mW·cm-2，开路电压为0.08V，转换效率几乎为0，且在180°的弯折角度下也无法测的其光电性能，更无法完成对超级电容器的充电。

Claims (10)

1.一种光伏电池织物与其它功能纤维共混纺织品的织造方法，其特征在于，所述光伏电池织物由具有纤维结构的多根光阳极和具有纤维结构的多根对电极组成；所述织造方法包括如下步骤：将所述光阳极、对电极以及其它功能纤维按照一定的组织规律分别布置在经线或纬线方向上，采用机织方式交错编织，即得；
其中，所述光阳极、对电极以及其它功能纤维在经线或纬线方向上的布置方式可采用下述任一一种：I、将所述光阳极、对电极以及其它功能纤维直接作为经线或纬线连接到织机的牵引装置上；II、将所述光阳极、对电极以及其它功能纤维的一端或两端连接到其它纤维上再作为经线或纬线连接到织机的牵引装置上；
其中，编织过程中经线与纬线的接触压强为1kPa-10MPa，单根经线的拉力范围为10-3N-10N。
2.如权利要求1所述的织造方法，其特征在于，所述光阳极的单根直径为1μm-1mm；
和/或，所述对电极的单根直径为1μm-1mm；
和/或，所述其它功能纤维的直径为5μm-1cm，长径比大于10:1；
和/或，所述编织过程中经线与纬线的接触压强为0.2MPa-0.7MPa；
和/或，所述编织过程中单根经线的拉力范围为0.005N-0.02N。
3.如权利要求1所述的织造方法，其特征在于，所述光阳极由在导电基底或在包裹导电材料的不导电基底上覆盖一层纳米半导体薄膜制备而成；
和/或，所述其它功能纤维为呈纤维状态的功能材料、结构材料或复合材料。
4.如权利要求3所述的织造方法，其特征在于，所述导电基底为导电金属纤维丝；所述纳米半导体薄膜的材质为无机半导体材料和有机半导体材料；
和/或，所述其它功能纤维为具有传感、天线、能量存储或能量采集功能的呈纤维状态的电极或器件。
5.如权利要求4所述的织造方法，其特征在于，所述导电金属纤维丝为表面镀锰的铜丝；所述纳米半导体薄膜的材质为染料敏化的纳米氧化物、钙钛矿、铜银镓硒、砷化嫁、硫化镉或硒化镉；
和/或，所述其它功能纤维为纤维状超级电容器、纤维状传感器、纤维状天线；
和/或，所述对电极为表面镀金的铜丝。
6.如权利要求1所述的织造方法，其特征在于，所述机织方式采用飞梭织造方式。
7.如权利要求6所述的织造方法，其特征在于，所述飞梭织造方式按照如下步骤进行：将经线的一端由经轴引出，另一端穿过综框固定在织轴上，在编织过程中通过调节综框上下，可以改变经线的交错方向；经线在综框的牵引下分为上、下两层，中间形成梭口，纬线在引纬器的牵引下穿过梭口，然后再次调节综框上下，改变经线的交错方向，使梭口闭合，并将纬线推向织口，使经线与纬线相互交织，形成新的梭口，之后纬线在引纬器的牵引下再次穿过梭口，重复上述过程，从而形成织物。
8.如权利要求1-7任一项所述的织造方法，其特征在于，在交错编织过程中，经线间距为0.01mm-10mm，纬线间距为0.01mm-10mm；
和/或，在交错编织过程中，单根纬线的拉力范围为10-3N-10N。
9.如权利要求1-7任一项所述的织造方法，其特征在于，在所述交错编织过程中，通过改变经线交错的方式，即可编织得到平纹、斜纹、缎纹三种基本编织花纹及由上述三种基本编织方式任意组合得到的其他编织花纹。
10.如权利要求9所述的织造方法，其特征在于，在平纹织造过程中，经线开口上下方向为一上一下交替分布；
和/或，在斜纹织造过程中，经线开口上下方向为一上二下交替分布；
和/或，在缎纹织造过程中，经线开口上下方向为一上四下交替分布。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115020899A (zh) * 2022-04-14 2022-09-06 复旦大学 一种全织物供电与发光器件的集成方法

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