CN109698636A - 基于褶皱图案化pdms层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统和发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机‑太阳能电池复合能量的收集系统，包括太阳能电池收集组件和摩擦纳米发电机组件，所述的太阳能电池收集组件包括图案化褶皱结构的PDMS层和太阳能电池，PDMS层设置在太阳能电池的透明电极上，所述的太阳能电池的闭合回路上连接负载和反向截止二极管；所述摩擦纳米发电机组件包括太阳能电池的透明电极、图案化褶皱结构的PDMS层和整流桥，PDMS层摩擦感应电荷，使透明电极带电荷，经过整流桥，连接负载，与大地形成闭合回路。本发明将摩擦纳米发电机与太阳能电池结合实现晴天太阳能和雨天雨滴机械能向电能的转化，增加能量的收集和储存效率。
Description
技术领域
本发明属于洁净能源技术领域，具体涉及一种基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统和发电方法。
背景技术
目前能源需求和环境污染问题使得人们亟待发展绿色能源形式来替代化石能源。太阳能电池可以将阳光辐照能量直接转化为电能，且光电转化过程中不引起附加的环境污染问题而受到人们的关注。在太阳能电池工作过程中，光强时间和空间分布制约电池的工作效率，在雨天这种极端天气下，电池无法对外输出电能。因此，发展一种能在雨天补偿太阳能电池的能源产生装置对解决太阳能电池电能输出的不稳定性具有重要意义。
摩擦纳米发电机可以在雨天产生电能的装置，它可以捕获雨水的机械能转化成电能，将摩擦纳米发电机与太阳能电池结合可以实现晴天太阳能和雨天雨滴机械能向电能的转化。但是目前所制备的摩擦发电机-太阳能电池复合能量收集系统中，由于摩擦发电机的透光性较差，两者复合会降低太阳能电池对光的吸收，而且摩擦纳米发电机和太阳能电池分开设置，手动切换工作，结构复杂，操作麻烦。公告号为CN105337560B中国专利公开了一种复合能源装置和发电方法，该复合能源装置由太阳能电池和覆盖在太阳能电池表面的透明摩擦发电机构成。针对雨季或晚上，用透明的摩擦发电机代替太阳能电池表面最上层的商用保护板，组成一种新型的复合能源装置。在晴天时，太阳光透过摩擦发电机后，太阳能电池照常收集太阳光能量进行光伏发电，在雨天光伏发电效率大幅降低时，辅以摩擦发电机收集雨水能量进行摩擦发电。Li Zheng等人报道了一种能同时收集太阳光、雨滴和风能的复合能量系统（Adv. Energy Mater. 2015，1-8），在太阳能电池上制备阵列状PTFE/PET/ITO结构摩擦发电机与太阳能电池复合能量的采集体系。但是，这些文献中摩擦发电机只是重叠固定在太阳能电池表面，使复合能量采集器中太阳能电池光吸收效率下降，影响了太阳能电池的光电转换效率，而且摩擦发电机与太阳能电池分开设置，需要设置开关手动切换摩擦发电机与太阳能电池的工作，操作不够灵活。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明在太阳能电池的透明电极上设置图案化褶皱结构的PDMS层来构筑摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统，并进行发电，实现太阳光和下落雨滴能量向电能的转化。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统，包括太阳能电池收集组件和摩擦纳米发电机组件，所述的太阳能电池收集组件包括图案化褶皱结构的PDMS层和太阳能电池，PDMS层设置在太阳能电池的透明电极上，所述的太阳能电池的闭合回路上连接负载和反向截止二极管；所述摩擦纳米发电机组件包括太阳能电池的透明电极、图案化褶皱结构的PDMS层和整流桥，PDMS层摩擦感应电荷，使透明电极带电荷，经过整流桥，连接负载，与大地形成闭合回路。
优选地，所述的PDMS层的制作方法包括以下步骤：在太阳能电池的透明电极上旋涂PDMS层，然后通过RIE方法刻蚀成图案化褶皱结构的PDMS层。
优选地，所述的PDMS层的厚度为50-100μm。
优选地，所述的PDMS层的表面与地面的夹角范围为30°-60°。
优选地，所述的太阳能电池为硅太阳能电池，包括透明电极ITO、Si吸收层和Al电极。
优选地，所述的透明电极ITO上设置Ag带。
优选地，所述的负载为电容器或LED灯泡。
一种利用基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统进行的发电方法，包括以下步骤：
（1）当太阳光照射，反向截止二极管处于正向导通状态，太阳能电池产生的直流电流流过整流桥的一个二极管和反向截止二极管对外输出电能；
（2）当雨天雨滴滴落，雨滴与摩擦纳米发电机的PDMS层接触摩擦起电，使PDMS层带电荷，当雨滴继续滴落时，与带电PDMS层产生静电感应，使透明电极ITO上的感应电荷周期性的变化，从而对外输出交流电流，经过整流桥转换为直流电流，对外输出电能。
本发明的积极有益效果：
1. 当雨滴落在PDMS层表面，与之摩擦产生净电荷，通过透明电极导出去，交流脉冲电流被整流桥转变为直流脉冲电流，与大地之间形成闭合回路；PDMS层表面的图案化褶皱结构可以提高水滴与PDMS层的接触面积，提高PDMS层的输出性能。
当入射光照射太阳能电池，对外输出电流电压，将图案化褶皱结构的PDMS层引入到透明电极上时，水滴在褶皱结构的接触角≥138°，水滴容易滚落，增加PDMS的疏水性，从而提高自清洁性；而且图案化褶皱结构形成对入射光的减反射，提高透光率，从而提高进入太阳能电池内部的光强度，进而提高太阳能电池的光吸收效率和光电转化效率。
2. 本发明采用透明电极作为共用电极，连接摩擦纳米发电机和太阳能电池，实现了摩擦纳米发电机和太阳能电池集成制备，结构简单。而且当太阳能电池的工作时，反向截止二极管处于导通状态，太阳能电池输出电能；当摩擦纳米发电机工作时，反向截止二极管的出现阻止了太阳电池支路直接将摩擦纳米发电机与大地的短路，保证摩擦纳米发电机交流电流正常工作，操作灵活。
3. 本发明复合能量的收集系统中太阳能电池具有很大的短路电流而摩擦纳米发电机具有较高的开路电压，将摩擦纳米发电机与太阳能电池结合实现晴天太阳能和雨天雨滴机械能向电能的转化，增加能量的收集和储存效率。
4. 本发明透明电极ITO上Ag带的设置降低了透明电极ITO的电阻，提高了导电效率。
附图说明
图1为本发明收集系统的结构示意图；
图2为本发明收集系统的工作电路图；
图3为本发明PDMS层的扫描原子力显微AFM图；
图4为有无褶皱图案化PDMS层的收集系统的透明电极ITO的透射率测试图；
图5为有无褶皱图案化PDMS层的收集系统的太阳能电池效率J-V测试曲线；
图6为不同结构PDMS层的收集系统的摩擦发电机的发电性能图一；
图7为不同结构PDMS层的收集系统的摩擦发电机的发电性能图二；
图8为本发明收集系统对电容器充电的V-t曲线图；
图中：1-Al电极，2-Si吸收层，3-透明电极，4-Ag带，5-PDMS层，6-整流桥，7-负载，8-大地，9-反向截止二极管。
具体实施方式
下面结合一些具体实施例对本发明进一步说明。
实施例1
参见图1-3，一种基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统，包括太阳能电池收集组件和摩擦纳米发电机组件，所述的太阳能电池收集组件包括图案化褶皱结构的PDMS层5和太阳能电池，所述的图案化褶皱结构的PDMS层5设置在太阳能电池的透明电极3上，所述的太阳能电池的闭合回路上连接负载7和反向截止二极管9；所述摩擦纳米发电机组件包括太阳能电池的透明电极3、图案化褶皱结构的PDMS层5和整流桥6，PDMS层5摩擦感应电荷，使透明电极3带电荷，经过整流桥6，连接负载7，与大地8形成闭合回路。
所述的PDMS层5的制作方法包括以下步骤：在太阳能电池的透明电极上旋涂聚二甲基硅氧烷PDMS层，然后通过RIE方法刻蚀成图案化褶皱结构表面，PDMS层的厚度为50-100μm，褶皱深度300-500nm（参见图3），RIE的功率200w，氧气流量80sccm。
所述的PDMS层的表面与地面的夹角范围为30°-60°，本实施例优选为45°。
所述的太阳能电池可以有多种，以硅太阳能电池为例，包括透明电极ITO、Ag带4、Si吸收层2和Al电极1。
所述的整流桥的二极管和反向截止二极管均采用肖特基二极管，压降为0.2 V。
所述的负载可以检测本发明收集系统的能量转化为电能的程度，例如：电容器或者LED灯泡，本实施例选用电容器。
一种利用基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统进行的发电方法，包括以下步骤：
（1）当模拟太阳光照射，反向截止二极管9处于正向导通状态，太阳能电池以ITO为正电极，Al为负电极，光伏效应产生的直流电流流过整流桥6的一个二极管和反向截止二极管9对电容器充电；
（2）当雨天雨滴滴落，雨滴与摩擦纳米发电机的PDMS层5接触摩擦起电，根据雨滴与PDMS电属性的差异，使PDMS层5带负电荷；当雨滴滑落PDMS层5，由于PDMS为绝缘性材料，电荷会在其表面滞留，通过静电感应吸引透明电极ITO上带正电荷，驱动自由电子由透明电极ITO 流向大地；当雨滴继续滴落在PDMS层5上时，与带电PDMS层5产生静电感应，PDMS层5吸引雨滴的正电荷，释放对透明电极ITO上正电荷的吸引，驱动自由电子由大地8流向透明电极ITO；当雨滴滑落PDMS层5，又重新吸引透明电极ITO3上带正电荷，驱使自由电子又重新由透明电极ITO 流向大地8，如此循环反复，使透明电极ITO上的感应电荷周期性的变化，从而对外输出交流电流，经过整流桥转换为直流电流，对电容器充电。测试结果见图4-8。
本实施例采用太阳模拟器发射模拟太阳光（AM1.5G）照射收集系统，3.61 s电容电压增加到0.2 V，电容电压不再上升，然后停止模拟太阳能光照射，采用花洒模拟水滴滴在收集系统上，水滴在褶皱结构的接触角≥138°，雨滴速度0.16 ml/s，高度为50 cm，105.60s电容电压增加到1.6 V。
图4为未处理的透明电极ITO与褶皱图案化PDMS层覆盖的透明电极ITO的透射率测试图，通过紫外可见吸收光谱仪记录透射光对入射光强度之比测试透明电极ITO的透射率，褶皱图案化PDMS层的引入使透明电极在波长小于600 nm的可见光范围内提升了10％左右。本发明褶皱图案化PDMS层的引入使入射光在可见光范围内透过率增加。
图5为未处理和褶皱图案化PDMS层覆盖的太阳能电池效率J-V测试曲线，短路电流密度从36.7 mA·cm-2增加到40.7 mA·cm-2，褶皱图案化PDMS层的引入使太阳能电池的效率（短路电流密度×开路电压×填充因子）从12.55%提高到了13.57%，本发明褶皱图案化PDMS层的引入，太阳能电池的光电转化效率增加。
图6为平面PDMS层和褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机的V-t输出曲线，水滴落到摩擦纳米发电机上，平面PDMS层的摩擦纳米发电机输出电压为8 V，而褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机输出电压增加到29.3 V，为平面PDMS层摩擦纳米发电机的3.66倍。本发明褶皱图案化PDMS层的引入使摩擦纳米发电机的输出电压得到明显增加。
图7为平面PDMS层覆盖和褶皱图案化PDMS层覆盖的摩擦纳米发电机的I-t输出曲线，平面PDMS的层的摩擦纳米发电机输出电流为10.7 μA，具有褶皱结构PDMS层的摩擦纳米发电机输出电流为32 μA，为平面PDMS层摩擦纳米发电机的2.99倍。本发明褶皱图案化PDMS层的引入摩擦纳米发电机的输出电流得到明显增加。
图8为本发明收集系统对电容充电的V-t曲线图，显示了包含6个周期的电容器的充电曲线。可以看出电容器的电压在3.61 s左右达到0.2V，然后在105.60 s内增加到1.60V，由于太阳能电池具有大的电流密度，电容器的电压在短时间内快速增加到0.2V，摩擦纳米发电机具有高的输出电压，可以实现更高电压的输出，与太阳能电池实现互补，在6次循环充放电过程中，本发明收集系统的输出显示出良好的稳定性和可重复性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统，其特征在于，包括太阳能电池收集组件和摩擦纳米发电机组件，所述的太阳能电池收集组件包括图案化褶皱结构的PDMS层和太阳能电池，PDMS层设置在太阳能电池的透明电极上，所述的太阳能电池的闭合回路上连接负载和反向截止二极管；所述摩擦纳米发电机组件包括太阳能电池的透明电极、图案化褶皱结构的PDMS层和整流桥，PDMS层摩擦感应电荷，使透明电极带电荷，经过整流桥，连接负载，与大地形成闭合回路。
2.根据权利要求1所述的基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统，其特征在于，所述的PDMS层的制作方法包括以下步骤：在太阳能电池的透明电极上旋涂PDMS层，然后采用RIE方法刻蚀成图案化褶皱结构的PDMS层。
3.根据权利要求1所述的基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统，其特征在于，所述的PDMS层的厚度为50-100μm。
4.根据权利要求1所述的基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统，其特征在于，所述的PDMS层的表面与地面的夹角范围为30°-60°。
5.根据权利要求1所述的基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统，其特征在于，所述的太阳能电池为硅太阳能电池，包括透明电极ITO、Si吸收层和Al电极。
6.根据权利要求5所述的基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统，其特征在于，所述的透明电机ITO上设置Ag带。
7.根据权利要求1所述的基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统，其特征在于，所述的负载为电容器或者LED灯泡。
8.一种利用基于褶皱图案化PDMS层的摩擦纳米发电机-太阳能电池复合能量的收集系统进行的发电方法，包括以下步骤：
（1）当太阳光照射，反向截止二极管处于正向导通状态，太阳能电池产生的直流电流流过整流桥的一个二极管和反向截止二极管对外输出电能；
（2）当雨天雨滴滴落，雨滴与摩擦纳米发电机的PDMS层接触摩擦起电，使PDMS层带电荷，当雨滴继续滴落时，与带电PDMS层产生静电感应，使透明电极ITO上的感应电荷周期性的变化，从而对外输出交流电流，经过整流桥转换为直流电流，对外输出电能。
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