CN108332152A - 一种太阳能路灯系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能路灯系统，包括太阳能电池板、太阳能控制器、恒流器、蓄电池、路灯，所述的太阳能电池板与太阳能控制器输入端连接，太阳能控制器输出端连接蓄电池，太阳能控制器通过恒流器与路灯连接，所述的太阳能电池板连接太阳能光源自动跟踪装置，太阳能光源自动跟踪装置连接市电；所述的太阳能电池板为染料敏化太阳能电池，包括光阳极、与光阳极对置的对电极，填充在光阳极与对电极之间的电解液；所述光阳极包括FTO导电基底，在FTO导电基底表面设有TiO2复合薄膜，且，所述TiO2复合薄膜中镶嵌有Ag金属网。
Description
技术领域
本发明涉及公共照明技术领域，尤其涉及一种太阳能路灯系统。
背景技术
在城市照明领域中，路灯所占的比重越来越大，其与供电紧张的矛盾也越来越突出。因此，采用节能路灯取代传统路灯的要求也更加迫切。
目前，太阳能路灯的应用正在迅速发展，但是太阳能路灯的太阳能电池板是固定成一个角度，由于太阳在空中的位置不断变化，接受的太阳能效率低，不能充分利用太阳能，此外，通常的太阳能电池板的光电转换效率较低。
发明内容
本发明旨在提供一种太阳能路灯系统，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种太阳能路灯系统，包括太阳能电池板、太阳能控制器、恒流器、蓄电池、路灯，所述的太阳能电池板与太阳能控制器输入端连接，太阳能控制器输出端连接蓄电池，太阳能控制器通过恒流器与路灯连接，所述的太阳能电池板连接太阳能光源自动跟踪装置，太阳能光源自动跟踪装置连接市电；所述的太阳能电池板为染料敏化太阳能电池，包括光阳极、与光阳极对置的对电极，填充在光阳极与对电极之间的电解液；所述光阳极包括FTO导电基底，在FTO导电基底表面设有TiO2复合薄膜，且，所述TiO2复合薄膜中镶嵌有Ag金属网。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明的太阳能电池板在太阳能光源自动跟踪装置作用下，能够随着太阳的位置变化而改变位置，使太阳光始终垂直射在太阳能电池板上，充分利用太阳能。
本发明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，或通过本发明的实践了解到。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，并不能限制本发明。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明太阳能路灯系统的电路结构框图。
图2是本发明光阳极结构示意图。
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。
结合图1所示，本发明的实施例涉及一种太阳能路灯系统，包括太阳能电池板、太阳能控制器、恒流器、蓄电池、路灯，所述的太阳能电池板与太阳能控制器输入端连接，太阳能控制器输出端连接蓄电池，太阳能控制器通过恒流器与路灯连接，所述的太阳能电池板连接太阳能光源自动跟踪装置，太阳能光源自动跟踪装置连接市电，路灯接入开关连接市电。
当太阳在空中转动时，太阳能电池板通过连接的太阳能光源自动跟踪装置自动跟踪太阳光线而改变角度，能够始终垂直接收太阳光线，充分利用了太阳能，太阳能控制器把太阳能转化为电能，路灯通电发光，同时将多余的电量存储到蓄电池以备用。
当阴雨天或者太阳光不足，产生的电能不足时，可以通过市电对路灯供电，保证了路灯的正常工作。
优选实施方式为，结合图2，本发明所述的太阳能电池板为一种染料敏化太阳能电池，该染料敏化太阳能电池包括光阳极、与光阳极对置的对电极21，填充在光阳极与对电极之间的电解液22。
其中，该光阳极包括FTO导电基底23，在FTO导电基底23表面设有TiO2复合薄膜24，且，所述TiO2复合薄膜24中镶嵌有Ag金属网25。
该TiO2复合薄膜是通过丝网印刷TiO2复合浆料所形成的，TiO2复合浆料中包括Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒。
二氧化钛是一种宽禁带的n型半导体，其具有良好的物理化学性质，纳米结构的氧化钛的光量子产率较一般氧化钛有大幅提高，正如此，纳米氧化钛材料应用范围十分广泛，比如在污水处理、空气净化、太阳能利用、抗菌等方面。
具体到太阳能方面，二氧化钛是染料敏化太阳能电池中光阳极的主要材料。染料敏化太阳能电池一般由光阳极和对电极夹着电解质组成，光阳极通常由FTO玻璃作为基板，涂覆有TiO2纳米颗粒薄膜，然后表面吸附有染料，其是电池的核心部件。对于染料电池，光子的捕获是由敏化剂染料完成的，而收集和传输光生载流子则是由纳米晶多孔半导体材料，即TiO2纳米颗粒薄膜来实现。
现有技术中，染料敏化太阳能电池的性能会随着电池尺寸的增加而降低，主要是载流子在大面积的电极中传输受到损失，从而导致电池性能下降。
如上所述，二氧化钛是一种宽带隙半导体过渡金属氧化物。现阶段，二氧化钛纳米材料应用范围不断扩大，在传统领域如颜料、牙膏、涂料和近年快速发展的光电化学电池、染料敏化太阳能电池、光催化、抗菌、气体传感器、场发射器件、微波吸收材料等都有广泛的应用。由于TiO2具有较好的物理化学稳定性，耐强酸碱腐蚀，而且纳米尺寸的TiO2在电荷传输分离、染料吸附等方面都显示出优异的性能，因此，染料敏化太阳能电池中光阳极中一直用二氧化钛浆料作为主要物质。
本申请公开的方案中，在TiO2复合浆料中镶嵌有Ag金属网，该Ag金属网能够作为电子在阳极中传输的通道，有效减小了由于电极面积扩大使得电子传输降低的技术问题，取得了意料不到的技术效果。
此外，由于将Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒结合，该Ag纳米颗粒能够有效降低TiO2纳米颗粒间的势垒，对于电子在TiO2纳米颗粒间传输起到积极效果，发挥了意料不到的提高电子传输效率、减小电子湮灭的效果。
优选的，该TiO2复合浆料中，Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒的质量比为5:17。
在上述质量控制下，Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒结合能够发挥最佳的技术效果，提高电子传输效率、减小电子湮灭。
现有技术中，将Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒结合应用于光阳极的技术方案不多，本发明公开的光阳极中，该Ag纳米颗粒除了能够提高电子传输效率之外，还对太阳光具有一定的散射能力，同时具有较大的比表面积，对于染料的吸附能够大大提高，增加染料对光的利用，从而提高了光电转换的效率，起到了意料不到的技术效果。
优选地，该TiO2复合薄膜厚度为50μm，该TiO2纳米颗粒的粒径为30nm，该Ag纳米颗粒的粒径为20nm。
优选地，该Ag金属网为500目，单根Ag直径为30μm。
本发明技术方案中，通过对上述TiO2复合薄膜及Ag金属网尺寸的限制，该光阳极产生了意料不到的技术效果，Ag金属网附近的电子能够及时被收集，有效降低光生载流子的复合几率，对于光电转换效率和短路电流密度的提高产生积极影响。
优选实施方式为，该Ag金属网表面吸附有所述同样的Ag纳米颗粒，Ag金属网与Ag纳米颗粒质量比为100:7。
通过Ag金属网吸附Ag纳米颗粒，更进一步使得Ag纳米颗粒成为Ag金属网与TiO2纳米颗粒之间的导电桥梁，更加促进了Ag金属网对电子的收集，从而提高光电转换效率。
优选地，所述TiO2复合薄膜厚度为100μm，所述TiO2复合薄膜中镶嵌有一层Ti金属网。
优选地，所述TiO2复合薄膜厚度为200μm，所述TiO2复合薄膜中镶嵌有五层Ti金属网。
多层金属网设置的情况下，各层金属网均构成导电平面，各导电平面之间通过Ag纳米颗粒连接，最大的增强了对电子的吸收。
优选实施方式为，本公开所述的Ag纳米颗粒是这样形成的：
采用乙酸银、柠檬酸银、乙醇胺、葡萄糖、草酸制备有机银导电溶液，然后在180℃下煅烧100min后形成Ag纳米颗粒，该Ag纳米颗粒粒径为20nm。
通过上述方法制备的Ag纳米颗粒，导电性好，一方面，能够很好的与TiO2纳米颗粒结合，促进TiO2纳米颗粒的光生载流子的吸收和传输；另一方面，能够很好的与Ag金属网结合，促进Ag金属网形成三维的导电网络，从而提高光电转换效率。
如下为本发明所述染料敏化太阳能电池的制备步骤：
步骤1，制备光阳极
首先，裁剪Ag金属网，使其形成需要尺寸，依次用丙酮、乙醇、去离子水将其清洗干净，随后使用氮气吹干；取氢氟酸与去例子水混合，其中氢氟酸的质量分数为30％，氢氟酸与去例子水两者体积比为1:28，将Ag金属网放入氢氟酸水溶液中，进行腐蚀，直到Ag丝直径减小到30μm，进而，对Ag金属网用乙醇和去离子水清洗，同样氮气吹干，压平，得到所需Ag金属网；
然后，制备Ag纳米颗粒：分别将11.3g硝酸银和6.1g的二水柠檬酸三钠溶解在250ml、290ml的去离子水中；然后将柠檬酸三钠水溶液在室温下磁力搅拌60min，再向柠檬酸三钠水溶液中缓慢滴入硝酸银水溶液，生成白色沉淀，滴加完毕，搅拌30min，抽滤，去离子水洗涤2次，乙醇洗涤4次，真空烘箱中干燥12h，得到干燥的柠檬酸银粉末；取柠檬酸银粉末0.68g和0.25g的乙酸银，将两者溶解在40ml去离子水和19ml乙醇构成的混合溶液A中；将上述混合溶液A置于冰水浴中，搅拌2h，然后向混合溶液中快速加入1ml的乙醇胺，全部滴加完毕后快速搅拌30min，得混合溶液B；然后再向上述混合溶液B中加入0.7ml的葡萄糖和0.2g的草酸，搅拌50min，进而得到有机银溶液；在210℃下将该有机银溶液烧结100min，进而得到所述Ag纳米颗粒；
上述制备Ag纳米颗粒步骤所需试验材料如下：
将FTO基底作为光阳极基底，切割，清洗干净，取0.04M的TiCl4水溶液，将清洗后的FTO基底放入TiCl4水溶液中，在80℃下保持1h，取出，然后用去离子水反复冲洗干净，将FTO基底在马弗炉中400℃退火2h；然后，将Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒进行混合，得到成TiO2复合浆料，并且将Ag纳米颗粒吸附在Ag金属网上；采用丝网印刷法将TiO2复合浆料涂覆在处理过的FTO基底上，然后将吸附有Ag纳米颗粒的Ag金属网压入TiO2复合浆料中，在Ag金属网表面继续涂覆浆料，使厚度符合要求，将带有浆料的FTO基底在250℃干燥5h，然后依次在270℃、310℃、360℃、450℃、500℃下煅烧40min、15min、50min、30min、20min；随后将煅烧后的FTO基底浸入到0.05mM染料N-719的乙腈和叔丁醇混合溶液中，乙腈和叔丁醇体积比为1:1，浸入时间为24h，取出，晾干后得到所述的光阳极；
步骤2，制备对电极
所述对电极为负载有铂的FTO基底，将对电极切割，使其尺寸与光阳极相同，然后清洗备用；
步骤3，封装
光阳极与对电极相对设置，将电解液注入两电极之间，形成三明治结构的电池，然后封装；电解液为应用碘/碘三负离子电解液，称取100ml的乙腈溶液，向乙腈溶液中加入0.1M的碘化锂，0.1M单质碘，0.6M 4-叔丁基吡啶和0.6M的四丁基碘化铵，避光超声5min，使其充分溶解；然后称取5g的所述Ag纳米颗粒，将其加入混合溶液中，充分混合。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
本实施例中，该染料敏化太阳能电池包括光阳极、与光阳极对置的对电极，填充在光阳极与对电极之间的电解液。
其中，该光阳极包括FTO导电基底，在FTO导电基底表面设有TiO2复合薄膜，且，所述TiO2复合薄膜中镶嵌有Ag金属网。
该TiO2复合薄膜是通过丝网印刷TiO2复合浆料所形成的，TiO2复合浆料中包括Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒；Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒的质量比为5:17。
该TiO2复合薄膜厚度为50μm，该TiO2纳米颗粒的粒径为30nm，该Ag纳米颗粒的粒径为20nm。
该Ag金属网为500目，单根Ag直径为30μm；该Ag金属网表面吸附有所述的Ag纳米颗粒，Ag金属网与Ag纳米颗粒质量比为100:7。
本发明所述染料敏化太阳能电池的制备步骤：
步骤1，制备光阳极
首先，裁剪Ag金属网，使其形成需要尺寸，依次用丙酮、乙醇、去离子水将其清洗干净，随后使用氮气吹干；取氢氟酸与去例子水混合，其中氢氟酸的质量分数为30％，氢氟酸与去例子水两者体积比为1:28，将Ag金属网放入氢氟酸水溶液中，进行腐蚀，直到Ag丝直径减小到30μm，进而，对Ag金属网用乙醇和去离子水清洗，同样氮气吹干，压平，得到所需Ag金属网；
然后，制备Ag纳米颗粒：分别将11.3g硝酸银和6.1g的二水柠檬酸三钠溶解在250ml、290ml的去离子水中；然后将柠檬酸三钠水溶液在室温下磁力搅拌60min，再向柠檬酸三钠水溶液中缓慢滴入硝酸银水溶液，生成白色沉淀，滴加完毕，搅拌30min，抽滤，去离子水洗涤2次，乙醇洗涤4次，真空烘箱中干燥12h，得到干燥的柠檬酸银粉末；取柠檬酸银粉末0.68g和0.25g的乙酸银，将两者溶解在40ml去离子水和19ml乙醇构成的混合溶液A中；将上述混合溶液A置于冰水浴中，搅拌2h，然后向混合溶液中快速加入1ml的乙醇胺，全部滴加完毕后快速搅拌30min，得混合溶液B；然后再向上述混合溶液B中加入0.7ml的葡萄糖和0.2g的草酸，搅拌50min，进而得到有机银溶液；在210℃下将该有机银溶液烧结100min，进而得到所述Ag纳米颗粒；
上述制备Ag纳米颗粒步骤所需试验材料如下：
将FTO基底作为光阳极基底，切割，清洗干净，取0.04M的TiCl4水溶液，将清洗后的FTO基底放入TiCl4水溶液中，在80℃下保持1h，取出，然后用去离子水反复冲洗干净，将FTO基底在马弗炉中400℃退火2h；然后，将Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒进行混合，得到成TiO2复合浆料，并且将Ag纳米颗粒吸附在Ag金属网上；采用丝网印刷法将TiO2复合浆料涂覆在处理过的FTO基底上，然后将吸附有Ag纳米颗粒的Ag金属网压入TiO2复合浆料中，在Ag金属网表面继续涂覆浆料，使厚度符合要求，将带有浆料的FTO基底在250℃干燥5h，然后依次在270℃、310℃、360℃、450℃、500℃下煅烧40min、15min、50min、30min、20min；随后将煅烧后的FTO基底浸入到0.05mM染料N-719的乙腈和叔丁醇混合溶液中，乙腈和叔丁醇体积比为1:1，浸入时间为24h，取出，晾干后得到所述的光阳极；
步骤2，制备对电极
所述对电极为负载有铂的FTO基底，将对电极切割，使其尺寸与光阳极相同，然后清洗备用；
步骤3，封装
光阳极与对电极相对设置，将电解液注入两电极之间，形成三明治结构的电池，然后封装；电解液为应用碘/碘三负离子电解液，称取100ml的乙腈溶液，向乙腈溶液中加入0.1M的碘化锂，0.1M单质碘，0.6M 4-叔丁基吡啶和0.6M的四丁基碘化铵，避光超声5min，使其充分溶解；然后称取5g的所述Ag纳米颗粒，将其加入混合溶液中，充分混合。
实施例2
参照实施例1，不同之处在于，该Ag金属网表面没有吸附所述的Ag纳米颗粒。
实施例3
参照实施例1，不同之处在于，所述TiO2复合薄膜厚度为100μm，所述TiO2复合薄膜中镶嵌有一层Ti金属网。
实施例4
参照实施例1，不同之处在于，所述TiO2复合薄膜厚度为200μm，所述TiO2复合薄膜中镶嵌有五层Ti金属网。
染料敏化太阳能电池的光电性能主要是由测定电池的短路电流密度-开路电压来表现，测试是在模拟标准太阳光照射下进行的，在AM1.5的标准光源下，对所得染料敏化太阳能电池性能进行测试，结果如表1所示，记录参数有开路电压、短路电流、转换效率，从中可知，本发明技术方案得到的染料敏化太阳能电池具有较高的光电转换效率。
表1实施例1-4的太阳能电池的性能表征结果
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种太阳能路灯系统，其特征在于，包括太阳能电池板、太阳能控制器、恒流器、蓄电池、路灯，所述的太阳能电池板与太阳能控制器输入端连接，太阳能控制器输出端连接蓄电池，太阳能控制器通过恒流器与路灯连接，所述的太阳能电池板连接太阳能光源自动跟踪装置，太阳能光源自动跟踪装置连接市电；所述的太阳能电池板为染料敏化太阳能电池，包括光阳极、与光阳极对置的对电极，填充在光阳极与对电极之间的电解液；所述光阳极包括FTO导电基底，在FTO导电基底表面设有TiO2复合薄膜，且，所述TiO2复合薄膜中镶嵌有Ag金属网。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能路灯系统，其特征在于，所述路灯接入开关连接市电。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能路灯系统，其特征在于，所述TiO2复合薄膜是通过丝网印刷TiO2复合浆料所形成的，TiO2复合浆料中包括Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒；Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒的质量比为5:17。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能路灯系统，其特征在于，所述TiO2复合薄膜厚度为50μm。
5.根据权利要求3所述的一种太阳能路灯系统，其特征在于，所述TiO2纳米颗粒的粒径为30nm，所述Ag纳米颗粒的粒径为20nm。
6.根据权利要求3所述的一种太阳能路灯系统，其特征在于，所述Ag金属网为500目，单根Ag直径为30μm；该Ag金属网表面吸附有所述的Ag纳米颗粒，Ag金属网与Ag纳米颗粒质量比为100:7。
7.根据权利要求3所述的一种太阳能路灯系统，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池的制备步骤：
步骤1，制备光阳极
首先，裁剪Ag金属网，使其形成需要尺寸，依次用丙酮、乙醇、去离子水将其清洗干净，随后使用氮气吹干；取氢氟酸与去例子水混合，其中氢氟酸的质量分数为30％，氢氟酸与去例子水两者体积比为1:28，将Ag金属网放入氢氟酸水溶液中，进行腐蚀，直到Ag丝直径减小到30μm，进而，对Ag金属网用乙醇和去离子水清洗，同样氮气吹干，压平，得到所需Ag金属网；
然后，制备Ag纳米颗粒：分别将11.3g硝酸银和6.1g的二水柠檬酸三钠溶解在250ml、290ml的去离子水中；然后将柠檬酸三钠水溶液在室温下磁力搅拌60min，再向柠檬酸三钠水溶液中缓慢滴入硝酸银水溶液，生成白色沉淀，滴加完毕，搅拌30min，抽滤，去离子水洗涤2次，乙醇洗涤4次，真空烘箱中干燥12h，得到干燥的柠檬酸银粉末；取柠檬酸银粉末0.68g和0.25g的乙酸银，将两者溶解在40ml去离子水和19ml乙醇构成的混合溶液A中；将上述混合溶液A置于冰水浴中，搅拌2h，然后向混合溶液中快速加入1ml的乙醇胺，全部滴加完毕后快速搅拌30min，得混合溶液B；然后再向上述混合溶液B中加入0.7ml的葡萄糖和0.2g的草酸，搅拌50min，进而得到有机银溶液；在210℃下将该有机银溶液烧结100min，进而得到所述Ag纳米颗粒；
将FTO基底作为光阳极基底，切割，清洗干净，取0.04M的TiCl4水溶液，将清洗后的FTO基底放入TiCl4水溶液中，在80℃下保持1h，取出，然后用去离子水反复冲洗干净，将FTO基底在马弗炉中400℃退火2h；然后，将Ag纳米颗粒和TiO2纳米颗粒进行混合，得到成TiO2复合浆料，并且将Ag纳米颗粒吸附在Ag金属网上；采用丝网印刷法将TiO2复合浆料涂覆在处理过的FTO基底上，然后将吸附有Ag纳米颗粒的Ag金属网压入TiO2复合浆料中，在Ag金属网表面继续涂覆浆料，使厚度符合要求，将带有浆料的FTO基底在250℃干燥5h，然后依次在270℃、310℃、360℃、450℃、500℃下煅烧40min、15min、50min、30min、20min；随后将煅烧后的FTO基底浸入到0.05mM染料N-719的乙腈和叔丁醇混合溶液中，乙腈和叔丁醇体积比为1:1，浸入时间为24h，取出，晾干后得到所述的光阳极；
步骤2，制备对电极
所述对电极为负载有铂的FTO基底，将对电极切割，使其尺寸与光阳极相同，然后清洗备用；
步骤3，封装
光阳极与对电极相对设置，将电解液注入两电极之间，形成三明治结构的电池，然后封装；电解液为应用碘/碘三负离子电解液，称取100ml的乙腈溶液，向乙腈溶液中加入0.1M的碘化锂，0.1M单质碘，0.6M 4-叔丁基吡啶和0.6M的四丁基碘化铵，避光超声5min，使其充分溶解；然后称取5g的所述Ag纳米颗粒，将其加入混合溶液中，充分混合。
8.根据权利要求3所述的一种太阳能路灯系统，其特征在于，所述TiO2复合薄膜厚度为100μm，所述TiO2复合薄膜中镶嵌有一层Ti金属网。
9.根据权利要求3所述的一种太阳能路灯系统，其特征在于，所述TiO2复合薄膜厚度为200μm，所述TiO2复合薄膜中镶嵌有五层Ti金属网。
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