CN110071323B - 一种光电一体化薄膜电源系统及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电一体化电源及其制备方法；采用磁控溅射的方法制备了光电一体化薄膜电源系统，该电源包括薄膜基底，复合在薄膜基底一个表面的锂离子薄膜电池部分，复合在薄膜基底另一表面的太阳能电池部分；所述的负极材料层、光吸收层的材料为硅基材料，或铜、锌、钛、铁、锡中的至少一种的硫化物、氧化物、硒基物中的至少一种，这种设计方法解决了传统使用外电路连接太阳电池与锂离子电池的大型化与效率低等不足，可以极大提高该电源系统的能量效率和便携性。同时使用电极材料实现了材料的一体化应用，这种应用方式同物质薄膜在热处理过程中可以保证同样温度下该物质的高结晶性，提高材料的电化学性能，提升电池的转化效率。
Description
技术领域
本发明属于电池领域，具体涉及一种光电一体化薄膜电源系统。
背景技术
能源是发展国民经济和提高人民生活水平的生要物质基础，也是直接影响经济发展的一个重要因素。进入21世纪以来，传统的能源利用方式所带来的资源短缺、环境污染、温室效应等问题日益突出，改善能源结构，开发高效、清洁的新型能源已成为全球共识。目前太阳能每年辐射到地球上的能量多达125000TW，在地面辐射40秒钟就相当于210亿桶石油的能量送到地球，等同于人类一天消耗的能量总和。此外，太阳能可以直接利用且没有污染物排放，是一种清洁能源，因而成为目前国际社会公认的理想替代能源。人类对太阳能的利用主要有光热转化、光化学转化、光电转换三种方式。太阳能热水系统是光热转换的主要形式，目前已经被广泛应用。光化学转换基本处于实验室阶段，比较典型的就是光化学制氢。光电转化则是太阳能利用最重要的方向之一，其主要表现形式为太阳电池光伏发电。
同时，锂离子电池由于其安全、环保、高比能量和良好的电化学性能等优越的性能受到了人们的青睐。为满足传统微型电子器件的能源小型化与新兴复合储能体系一体化的要求，锂离子电池进一步发展为超薄、可弯曲、具有高能量密度的薄膜锂离子电池。在这方面，锂离子电池仍受制于有限的能量密度和充电方式，因而最为理想的是将将太阳电池的物理能量转化与锂离子电池的化学能量转化相结合，实现光伏-锂电一体化。
Liming Dai(Nature Communications，2015，6，8103)等人设计了一种用导线连接的光电一体化电源系统，其中太阳电池是CH3NH3PbI3钙钛矿型电池，锂电部分中正极材料为LiFePO4，负极材料为Li4Ti5O12，该电池系统具有良好的放电性能，但是该设计采用导线连接，未考虑材料的薄膜一体化，使用复杂，同时导线的引入使得电池整体的能量转化效率降低。目前存在光电一体化电源设计思路上，多采用两种电源(物理电源与化学电源)的连接，其中化学电源部分虽使用锂离子电池，但是极少考虑其薄膜化与机械一体化，Zhong LinWang(Nano letters，2012，12(5)：2520-2523)等人设计的TiO2电源系统，虽然实现了光电一体化，但是其锂电部分采用电解液式的电池设计，极大的降低了其便携性与安全性。
综上所述，本领域急需开发一种可以实现薄膜化并且具备高转化效率和能量密度的光电一体化薄膜电源系统。
发明内容：
光电一体化电源系统组成较为复杂，在设计上需要综合考虑太阳电池与锂离子电池两方面的结构特点才能实现该一体化电源系统的正常工作。本发明的第一目的是，设计一种光电一体化薄膜电源系统。该系统具有薄膜化，效率高，流程简单，成本低，重复性高，可以工业化生产的特点。
本发明第二目的在于，提供所述的光电一体化薄膜电源系统的制备方法。
本发明第三目的在于，提供所述的光电一体化薄膜电源系统的应用。
一种光电一体化薄膜电源系统，包括薄膜基底，复合在薄膜基底一个表面的锂离子薄膜电池部分，复合在薄膜基底另一表面的太阳能电池部分；
所述的锂离子薄膜电池部分包括依次复合的负极材料层、固体电解质层、正极材料层和正极集流体，其中，负极材料层复合在薄膜基底的表面；
所述的太阳能电池部分为单结或多结的太阳能薄膜电池单元；其中，太阳能薄膜电池单元为依次复合的光吸收层、缓冲层、窗口层；
其中，单结的太阳能薄膜电池单元中，光吸收层复合在薄膜基底的表面；
多结的太阳能薄膜电池单元中，第一结的光吸收层复合在薄膜基底的表面；
所述的正极集流体与窗口层导电连接；
薄膜基底和正极集流体设置有电量输出端。
本发明所述的薄膜基底，在锂离子电池部分用作阴极集流体，在太阳能电池部分作为薄膜背电极。通过将锂离子电池部分和太阳能电池部分分别复合在薄膜基底的相对的平面，可以实现电源系统的薄膜化，成本低。
所述的薄膜基底可为3维多孔基底或者平面集流体；优选为平面集流体。
作为优选，所述的薄膜基底为金属集流体；或者任意平面复合有过渡金属层的金属集流体。
所述的过渡金属层复合在金属集流体的一个表面，或者复合在两个表面。当所述的过渡金属层可复合在锂离子薄膜电池部分一侧，所述的锂离子薄膜电池部分依次复合在金属集流体的过渡金属层上。当所述的过渡金属层可复合在太阳能薄膜电池部分一侧，所述的太阳能薄膜电池部分依次复合在金属集流体的过渡金属层上。当所述的过渡金属层复合在金属集流体的两个表面，所述的锂离子薄膜电池部分和太阳能薄膜电池部分分别复合在复合金属集流体的复合有过渡金属层的表面上。
本发明中，所述的金属集流体为平面金属集流体；优选为铜箔、不锈钢、镍箔、铁箔、钼箔中的至少一种。
作为优选，所述的过渡金属层的材料为铁、铜、镍、钼、钛、钴、铬、铂等中的至少一种。
所述的过渡金属层的材料可以和所述的金属集流体材料相同或者不同。
进一步优选，所述的薄膜基底为Mo箔或单侧覆Cu的Mo箔。
所选薄膜为Mo箔或单侧覆Cu的Mo箔；其中Mo具有良好的导电性，为太阳能电池优良的背电极，可以作为锂离子电池的集流体使用。镀Cu可以进一步提高导电性，同时可以避免低电位下Li的嵌锂合金化反应。
所述的薄膜基底的厚度为0.5-2μm。(该厚度包含可能复合在其表面的过渡金属层的厚度)
作为优选，所述的负极材料层的材料为具备光催化与储锂能力的材料。
优选地，所述的负极材料层的材料为最少一种过渡金属的硫化物、最少一种过渡金属的氧化物、最少一种过渡金属的硅基材料、最少一种过渡金属的硒基物中的至少一种。
进一步优选，所述的负极材料层的材料独自为硅基材料，或铜、锌、钛、铁、锡中的至少一种的硫化物、氧化物、硒基物中的至少一种。
更进一步优选，所述的负极材料层的材料为铜锌锡的硫化物(CZTS)或铜锌锡的硫硒化物(CZTSSe)。
作为优选，所述的负极材料层(负极的活性物质层)的厚度为5-10μm。如活性物质层过薄，体积效应明显；若活性物质层过厚，材料沉积呈现较大的颗粒状，影响导电性，增大电池阻抗。更为优选的负极材料层厚度为7～8μm。
固体电解质层的材料可选择本领域技术人员所熟知的可用于制得薄膜锂离子电池的任意电解质材料。
作为优选，所述的电解质层的材料为无机固体电解质材料。
进一步优选，所述的固体电解质层的材料为LiPON和/或LiBON。
作为优选，所述的正极材料可为现有的适用于薄膜锂离子电池的任意正极活性材料。
所述的电解质层的厚度可根据需要进行调整，作为优选，电解质层的厚度优选为3.5-5μm。
作为优选，所述的正极材料层的材料包括LiMn2O4，LiCoO2，LiNixMnyCo1-x-yO2，LiNixAlyCo1-x-yO2中的至少一种，其中0.1≤x≤0.8，0≤y≤0.6，0.1≤x+y≤0.8。。锂离子正极材料影响了锂离子电池的工作电压和能量密度，对于该一体化电源的匹配有极大的影响。
作为优选，所述的正极材料层(正极的活性物质层)的厚度为5-10μm。如正极的活性物质层过薄，体积效应明显；若活性物质层过厚，材料沉积呈现较大的颗粒状，影响导电性，增大电池阻抗。更为优选的正极材料层厚度为7～8μm。
作为优选，所述的正极集流体优选为Al。
作为优选，所述的正极集流体的厚度为0.5-2μm。
本发明所述的光电一体化薄膜电源系统，所述的锂离子电池单元为该电源系统的输出端，也即是薄膜基底(在锂离子电池部分中，作为负极集流体使用)和正极集流体设置有电量输出端。
本发明中，当所述的太阳能电池部分为单结的太阳能电池单元，所述的光电一体化薄膜电源系统的结构具体包括薄膜基底，复合在薄膜基底一个表面复合有锂离子薄膜电池部分，另一表面复合有太阳能电池部分；所述的锂离子薄膜电池部分包括依次复合的负极材料层、固体电解质层、正极材料层和正极集流体，其中，负极材料层复合在薄膜基底的表面；所述的太阳能电池部分为依次复合的光吸收层、缓冲层、窗口层；其中，光吸收层复合在薄膜基底的表面；所述的正极集流体与窗口层导电连接；薄膜基底和正极集流体设置有电量输出端。
大多数情况下，太阳能电池部分为多结的太阳能薄膜电池单元，多结的太阳能薄膜电池单元中，各太阳能薄膜电池单元依次复合，即在第一结的太阳能薄膜电池单元的基础上，继续重复复合多个所述的太阳能薄膜电池单元；其中，下一太阳能薄膜电池单元的光吸收层和其上一结太阳能薄膜电池单元的窗口层复合。
所述的正极集流体与窗口层导电连接。当太阳能薄膜电池部分为单结的太阳能薄膜电池单元，正极集流体与该窗口层导电连接。当太阳能薄膜电池部分为多结的太阳能薄膜电池单元，正极集流体与最外层的窗口层导电连接。
所述的光电一体化薄膜电源系统中，锂离子薄膜电池部分的正极集流体与太阳能薄膜电池部分的窗口层连通。这种并联的连接方式有效的实现了太阳电池对于锂离子电池的充电，其p区与n区分别对应了锂离子电池的负极与正极。
作为优选，所述的太阳能薄膜电池部分的结数为2～8的整数(也即是，在所述的太阳能电池部分复合有2～8层的太阳能薄膜电池单元，第一结太阳能薄膜电池单元的光吸收层复合在薄膜基底上，第二结～第八级的太阳能薄膜电池单元的光吸收层分别与上一结的窗口层复合)。该设计的太阳电池要求电压匹配与之相连的锂离子电池，因此，它的结数选择要与其正极材料选择相匹配。
作为优选，所述的光吸收层的材料为具备光催化与储锂能力的材料。
优选地，所述的光吸收层的材料为最少一种过渡金属的硫化物、最少一种过渡金属的氧化物、最少一种过渡金属的硅基材料、最少一种过渡金属的硒基物中的至少一种。
进一步优选，所述的光吸收层的材料独自为硅基材料，或铜、锌、钛、铁、锡中的至少一种的硫化物、氧化物、硒基物中的至少一种。
更进一步优选，所述的光吸收层的材料为铜锌锡的硫化物(CZTS)或铜锌锡的硫硒化物(CZTSSe)。
本发明中，所述的正极材料层和负极材料层统称为电极活性层。本发明使用电极材料实现了材料的一体化应用，这种应用方式同物质薄膜在热处理过程中可以保证同样温度下该物质的高结晶性，避免了不同物质处理时，结晶温度不同，无法取得最佳的结晶效果，这种高结晶性的材料可以极大的提高该材料的电化学性能。
作为优选，所选的负极材料层与光吸收层的材料相同，为CZTS或CZTSSe中的一种。同物质薄膜在热处理过程中可以保证同样温度下该物质的高结晶性，避免了不同物质处理时，结晶温度不同，无法取得最佳的结晶效果。
光吸收层的厚度可根据需要进行调整，作为优选，光吸收层的厚度为400～1000nm。
所述的缓冲层可采用太阳能薄膜领域所熟知的材料，作为优选，所述的缓冲层的材料为CdS、MoO3、V2O5、NiO中的至少一种；进一步优选为CdS。
缓冲层的厚度可根据需要进行调整，作为优选，缓冲层的厚度为缓冲层的厚度为40～100nm。
所述的窗口层的材料可采用太阳能薄膜电池领域技术人员所述的材料。
作为优选，所述的窗口层的材料为i-ZnO、AZO和ITO中的至少一种。
进一步优选，所述的窗口层的材料为i-ZnO
窗口层的的厚度可根据需要进行调整，作为优选，所述的窗口层的的厚度为400～1000nm。
本发明还公开了所述的光电一体化薄膜电源系统的制备方法，通过磁控溅射方法制得，随后经封装得到。
磁控溅射是一种优选的制膜技术，具有工艺简单，流程简单，可重复性高的特点。这种磁控溅射薄膜的制备方法，同样实现了器件一体化，避免了由于外界电路而导致的能量损失。
本发明使用电极材料实现了材料的一体化应用，这种应用方式同物质薄膜在热处理过程中可以保证同样温度下该物质的高结晶性，避免了不同物质处理时，结晶温度不同，无法取得最佳的结晶效果，这种高结晶性的材料可以极大的提高该材料的电化学性能。
发明的技术方案，采用磁控溅射的方法制备了光电一体化薄膜电源系统，解决了传统使用外电路连接太阳电池与锂离子电池的大型化与效率低等不足，可以极大提高该电源系统的能量效率和便携性。
本发明所述的方法，优选通过磁控溅射的方法，按照所述的光电一体化薄膜电源系统的结构，形成各层结构。
本发明中，在所述的薄膜基底表面形成锂离子电池部分、太阳能电池部分的顺序没有要求，可以预先形成锂离子电池部分中的部分或者全部层结构后，再制备太阳能电池的部分或者全部各层结构。
本发明中，磁控溅射的方法可采用现有方法，例如，可直接采用各层的材料作为靶材，在惰性气氛下直接溅射，一次成型；或者，采用各层的材料的前驱体作为靶材，先溅射前驱体材料，后再在特有气氛下退化，二次反应成型，形成所述的各层材料；或者直接采用各层材料的前驱体作为靶材，在特有的气氛下直接反应溅射，一次成型得到所述的各层结构。
本发明中，通过磁控溅射方法，在薄膜基底的一个表面形成负极材料层，另一表面形成光吸收层。负极材料层和光吸收层的制备先后顺序没有要求。负极材料层、光吸收层的制备过程中，所述的溅射的参数可参考现有技术。
作为优选，所述的负极材料层、光吸收层为CZTS时，其制备方法可为，以铜锌锡的三种金属作为靶材、或者包含铜锌锡的合金作为靶材，在惰性气氛下溅射，随后再在特有气氛下(包含H2S的气氛下)退火得到；或者，以铜锌锡的三种金属作为靶材、或者包含铜锌锡的合金作为靶材，在包含H2S气氛下反应溅射后、在惰性气氛下退火得到。所述的包含H2S气氛为H2S，或者为H2S和惰性气体的混合气氛；所述的惰性气体例如为氩气。
所述的负极材料层、光吸收层为CZTSSe时，其制备方法与CZTS类似，区别在于，包含H2S的气氛还包含Se源气氛，例如H2Se。
研究发现，可通过合适的功率和溅射时间，控制合适的负极材料层、光吸收层的厚度，进而进一步提升得到的产物的性能。
研究还发现，溅射一次成型，例如，直接在所述的特殊气氛(例如含H2S气氛)下反应溅射，有助于进一步提升得到的材料的性能。
退火工艺可采用现有方法，例如在惰性气氛下，在200～800℃热处理，形成负极材料层、光吸收层。
将复合有负极材料层、光吸收层的材料作为靶材，在相应的层上，分别形成固体电解质层和缓冲层。
在负极材料层上溅射固体电解质材料的方法可采用现有技术。可采用现有技术，在光吸收层上形成缓冲层。
固体电解质的溅射方法：将基底固定在靶台上，靶材选用无机固体电解质(例如，Li3PO4)，气氛为氮气(为生成相应的LiPON(LiBON)，需要气氛为N2)，预溅射后移开挡板，将功率调整在10-200W，溅射5-60mins。
缓冲层的溅射方法：将基底固定在靶台上，靶材选用对应金属硫化物靶，气氛为Ar气，预溅射后移开挡板，将功率调整在10-200W，溅射5-60mins。
本发明中，可采用现有方法，在固体电解质层表面形成正极材料层和正极集流体。正极材料与集流体均为溅射方式形成，采用对应靶材即可。
可采用现有方法，在缓冲层上形成窗口层。(窗口层也可以通过溅射方式形成，采用对应靶材。
本发明中，在多结的太阳能薄膜电池单元下，在外层的窗口层上，通过溅射方法，形成光吸收层(CZTS或CZTSSe)；溅射方法可参考第一结的太阳能薄膜电池单元的光吸收层。
本发明封装可采用现有封装方法，优选为：以EVA封装时，该电池串行在真空腔内系以正负压加温的方式进行层迭制程(真空层迭制程)。该EVA在此制程里被熔解，并将整个电池包围起来。
本发明优选的光电一体化薄膜电源系统，所述的锂离子电池部分(1)负极材料为铜锌锡的硫化物(CZTS)或者铜锌锡的硫硒化物(CZTSSe)中的一种，电解质为LiPON，正极材料为常用商用正极材料，正极集流体为Al；
所述的锂离子电池部分(1)负极材料为铜锌锡的硫化物(CZTS)或者铜锌锡的硫硒化物(CZTSSe)中的一种，电解质为LiPON，正极材料为常用商用正极材料；
所述的太阳电池部分(2)的光吸收层为CZTS，CZTSSe中的一种，缓冲层为CdS，窗口层为i-ZnO和ITO，单结太阳电池自下而上结构为薄膜/CZTS(CZTSSe)/CdS/i-ZnO/ITO。
本发明所述的光电一体化薄膜电源系统中，锂离子电池正极与太阳电池窗口层连通。所述的太阳电池作为物理电源与锂离子电池并联，对外输出的工作电源为锂离子电池部分。所述的一体化薄膜电源的封装层为硅酮树脂型胶粘剂。
有益效果：
(1)本发明的技术方案，采用磁控溅射的方法制备了光电一体化薄膜电源系统，解决了传统使用外电路连接太阳电池与锂离子电池的大型化与效率低等不足，可以极大提高该电源系统的能量效率和便携性。
(2)本发明使用电极材料实现了材料的一体化应用，这种应用方式同物质薄膜在热处理过程中可以保证同样温度下该物质的高结晶性，避免了不同物质处理时，结晶温度不同，无法取得最佳的结晶效果，这种高结晶性的材料可以极大的提高该材料的电化学性能。
(3)本发明制备的光电一体化薄膜电源系统实现了光伏(物理电源)与锂电(化学电源)的实际结合，具有良好的能量转化效率与放电变现，实现了能源的高效利用，为可持续发展的薄膜微型化电源提供了设计思路。
(4)本发明制备的光电一体化薄膜电源系统实现了电池整体的全固态一体化，具有极佳的便携性，安全性与实用性。
(5)本发明制备的光电一体化薄膜电源系统可重复度高，工艺简单，可大规模生产。
附图说明
图1是依照本发明的第一实施例的一种光电一体化薄膜电源系统的立体分解图。
图2是依照本发明的第一实施例的种光电一体化薄膜电源系统的放电曲线图。
具体实施方式
以下实施例旨在对本发明内容做进一步详细说明，而不是对本发明权利要求保护范围的限制。
实施例1：
本发明提供一种光电一体化薄膜电源系统，其结构包括锂离子电池部分和太阳电池部分，具体结构如图1所示，其中以5-Mo箔作为薄膜基底，在一侧利用磁控溅射分别溅射4-CZTS，在5-Mo箔的另一侧利用磁控溅射分别溅射6-CZTS，退火后以该薄膜继续作为基底，在4-CZTS一侧继续溅射电解质3-LiPON，正极材料2-LiCoO2，集流体1-Al作为锂离子电池部分，在6-CZTS一侧继续溅射缓冲层7-CdS，窗口层8-IZO/ITO作为太阳电池部分，其中8-窗口层与1-集流体连接，该种连接方式不会连接其他层。该电池系统采用硅酮树脂型胶粘剂封装，1-Al和5-Mo箔两级做为电管系统的输出端输出。
采用本实施例制备的一体化薄膜电源系统，25℃光照条件下以正极材料的0.1C恒流放电，其循环50圈的放电曲线如图2所示，比容量仍可保持在127mAh/g，表现出良好的循环性能。电源整体的能量转化效率可达到8.2％。
实施例2：
本发明提供一种光电一体化薄膜电源系统，其结构包括锂离子电池部分和太阳电池部分，其中以5-Mo箔作为薄膜基底，在一侧利用磁控溅射分别溅射4-CZTS，在5-Mo箔的另一侧利用磁控溅射分别溅射6-CZTS，退火后以该薄膜继续作为基底，在4-CZTS一侧继续溅射电解质3-LiPON，正极材料2-LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2，集流体1-Al作为锂离子电池部分，在6-CZTS一侧继续溅射缓冲层7-CdS，窗口层8-IZO/ITO作为太阳电池部分，其中8-窗口层与1-集流体连接，该种连接方式不会连接其他层。该电池系统采用硅酮树脂型胶粘剂封装，1-Al和5-Mo箔两级做为电管系统的输出端输出。
采用本实施例制备的一体化薄膜电源系统，25℃光照条件下以正极材料的0.1C恒流放电，其循环50圈后比容量仍可保持在164mAh/g，表现出良好的循环性能。电源整体的能量转化效率可达到7.8％。
实施例3：
本发明提供一种光电一体化薄膜电源系统，其结构包括锂离子电池部分和太阳电池部分，其中以6-Mo箔作为薄膜基底，在一侧利用磁控溅射分别溅射5-Cu，4-CZTS在6-Mo箔的另一侧利用磁控溅射分别溅射7-CZTS，退火后以该薄膜继续作为基底，在4-CZTS一侧继续溅射电解质3-LiPON，正极材料2-LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2，集流体1-Al作为锂离子电池部分，在6-CZTS一侧继续溅射缓冲层7-CdS，窗口层8-IZO/ITO作为太阳电池部分，其中8-窗口层与1-集流体连接，该种连接方式不会连接其他层。该电池系统采用硅酮树脂型胶粘剂封装，1-Al和5-Mo箔两级做为电管系统的输出端输出。
采用本实施例制备的一体化薄膜电源系统，25℃光照条件下以正极材料的0.1C恒流放电，其循环50圈后比容量仍可保持在147mAh/g，表现出良好的循环性能。电源整体的能量转化效率可达到7.9％。
实施例4：
本发明提供一种光电一体化薄膜电源系统，其结构包括锂离子电池部分和太阳电池部分，具体结构如图1所示，其中以5-Mo箔作为薄膜基底，在一侧利用磁控溅射分别溅射4-CZTSSe，在5-Mo箔的另一侧利用磁控溅射分别溅射6-CZTSSe，退火后以该薄膜继续作为基底，在4-CZTSSe一侧继续溅射电解质3-LiPON，正极材料2-LiFeP04，集流体1-Al作为锂离子电池部分，在6-CZTSSe一侧继续溅射缓冲层7-CdS，窗口层8-IZO/ITO作为太阳电池部分，其中8-窗口层与1-集流体连接，该种连接方式不会连接其他层。该电池系统采用硅酮树脂型胶粘剂封装，1-Al和5-Mo箔两级做为电管系统的输出端输出。
采用本实施例制备的一体化薄膜电源系统，25℃光照条件下以正极材料的0.1C恒流放电，其循环50圈后比容量仍可保持在124mAh/g，表现出良好的循环性能。电源整体的能量转化效率可达到7.9％。
Claims (32)
1.一种光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，包括薄膜基底，复合在薄膜基底一个表面的锂离子薄膜电池部分，复合在薄膜基底另一表面的太阳能电池部分；
所述的锂离子薄膜电池部分包括依次复合的负极材料层、固体电解质层、正极材料层和正极集流体，其中，负极材料层复合在薄膜基底的表面；
所述的太阳能电池部分为单结或多结的太阳能薄膜电池单元；其中，太阳能薄膜电池单元为依次复合的光吸收层、缓冲层、窗口层；
其中，单结的太阳能薄膜电池单元中，光吸收层复合在薄膜基底的表面；
多结的太阳能薄膜电池单元中，第一结的光吸收层复合在薄膜基底的表面；
所述的正极集流体与窗口层导电连接；
薄膜基底和正极集流体设置有电量输出端。
2.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的薄膜基底为金属集流体。
3.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的薄膜基底为任意平面复合有过渡金属层的金属集流体。
4.如权利要求3所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的过渡金属层的材料为铁、铜、镍、钼、钛、钴、铬、铂中的至少一种。
5.如权利要求2~4任一项所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的金属集流体为铜箔、不锈钢、镍箔、铁箔、钼箔中的至少一种。
6.如权利要求2所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的薄膜基底的厚度为 0.5-2 μm。
7.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的负极材料层、光吸收层的材料独自为具备光催化与储锂能力的材料。
8.如权利要求7所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的负极材料层、光吸收层的材料独自为最少一种过渡金属的硫化物、最少一种过渡金属的氧化物、最少一种过渡金属的硅基材料、最少一种过渡金属的硒基物中的至少一种。
9.如权利要求7所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的负极材料层、光吸收层的材料独自为硅基材料，或铜、锌、钛、铁、锡中的至少一种的硫化物、氧化物、硒基物中的至少一种。
10.如权利要求7所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的负极材料层、光吸收层的材料独自为铜锌锡的硫化物或铜锌锡的硫硒化物。
11.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，负极材料层的厚度为5-10 μm。
12.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的光吸收层的厚度为400~1000nm。
13.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的负极材料层、光吸收层的材料相同。
14.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的正极材料层的材料包括LiMn2O4，LiCoO2，LiNixMnyCo1-x-yO2，LiNixAlyCo1-x-yO2中的至少一种，其中0.1≤x≤0.8，0≤y≤0.6，0.1≤x+y≤0.8。
15.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，正极材料层的厚度为5-10 μm。
16.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的固体电解质层的材料为无机固体电解质材料。
17.如权利要求16所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的固体电解质层的材料为LiPON和/或LiBON。
18.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，电解质层厚度为3.5-5μm。
19.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的正极集流体为Al。
20.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，集流体厚度为0.5-2 μm。
21.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的太阳能电池部分中，所述的缓冲层的材料为CdS、MoO3、V2O5、NiO中的至少一种。
22.如权利要求21所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，缓冲层的厚度为40~100nm。
23.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的窗口层的材料为i-ZnO，AZO和ITO中的至少一种。
24.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，窗口层的的厚度为400~1000nm。
25.如权利要求1所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，多结的太阳能薄膜电池单元中，各太阳能薄膜电池单元依次复合，正极集流体与最外层的太阳能薄膜电池单元的窗口层导电连接。
26.如权利要求25所述的光电一体化薄膜电源系统，其特征在于，所述的太阳能薄膜电池部分的结数为2~8的整数。
27.一种权利要求1~26任一项所述的光电一体化薄膜电源系统的制备方法，其特征在于，通过磁控溅射方法在所述的薄膜基底表面形成锂离子电池部分、太阳能电池部分，随后经封装得到。
28.如权利要求27所述的光电一体化薄膜电源系统的制备方法，其特征在于，在所述的薄膜基底表面形成锂离子电池部分、太阳能电池部分的顺序没有要求，预先形成锂离子电池部分中的部分或者全部层结构后，再制备太阳能电池的部分或者全部各层结构。
29.如权利要求28所述的光电一体化薄膜电源系统的制备方法，其特征在于，直接采用各层的材料作为靶材，在惰性气氛下直接溅射，一次成型；或者，采用各层的材料的前驱体作为靶材，先溅射前驱体材料，后再在特有气氛下退化，二次反应成型，形成所述的各层材料；或者直接采用各层材料的前驱体作为靶材，在特有的气氛下直接反应溅射，一次成型得到所述的各层结构。
30.如权利要求27~29任一项所述的光电一体化薄膜电源系统的制备方法，其特征在于，所述的负极材料层、光吸收层为CZTS时，其制备方法为，以铜锌锡的三种金属作为靶材、或者包含铜锌锡的合金作为靶材，在惰性气氛下溅射，随后再在特有气氛下退火得到，所述的特有气氛为包含H2S的气氛；或者，以铜锌锡的三种金属作为靶材、或者包含铜锌锡的合金作为靶材，在包含H2S气氛下反应溅射后、在惰性气氛下退火得到；所述的包含H2S气氛为H2S，或者为H2S和惰性气体的混合气氛；
或者，所述的负极材料层、光吸收层为CZTSSe时，其制备方法与CZTS制备方法的区别在于在于，包含H2S的气氛还包含Se源气氛。
31.如权利要求30所述的光电一体化薄膜电源系统的制备方法，其特征在于，所述的负极材料层和光吸收层溅射完成后，进行退火处理，随后再依次溅射其他各层材料；退火过程为，在惰性气氛下200~800℃下热处理。
32.如权利要求1~26任一项所述的光电一体化薄膜电源系统，或者权利要求27~31任一项制备方法制得的光电一体化薄膜电源系统的应用，其特征在于，应用于储能，能量转换或可穿戴柔性器件领域。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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