CN112382509A - 一种低成本两端口太阳能可充电器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型低成本两端口太阳能可充电器件，包括法拉第结光电极和对电极为两个端口，两端口中间有电解质，构成两端口太阳能可充电器件；所述的法拉第结光电极包括直接接触的半导体和法拉体两种材料，所述的法拉体是一种电子离子耦合的导体。光充电时，所述的法拉第结光电极端口与对电极端口短路连接；暗态放电时，所述的法拉第结光电极端口与对电极端口中间连接负载。本发明直接将太阳能储存在器件中，并且能直接将电能释放到外电路，操作简单且具有通用性，可以有效平衡太阳能的日夜波动。
Description
技术领域
本发明设计太阳能可充电器件领域，尤其涉及一种新型低成本两端口太阳能可充电器件及制备方法。
背景技术
太阳能因其绿色，可再生性和丰富性在实现可持续发展的社会中发挥着重要作用。尽管硅基太阳能电池已经被广泛用于将太阳能转换为电能，但是由于太阳能的间歇性，太阳能电池不能提供连续的电力供应，限制了其进一步发展。太阳能可充电器件可以有效地解决这一问题，引起人们的高度关注。现有的太阳能可充电器件是太阳能电池和储能器件的集成，通常是四端口或三端口器件。对于四端口器件来说，光充电时，太阳能电池的两个端口分别与储能器件两端连接。当暗放电时，太阳能电池的两个端口断开，并且储能器件与负载相连。更简单的三端口器件是通过一个电极同时用于能量转化和能量存储来实现的。尽管集成太阳能电池和储能器件是可行的，但是这些四端口或三端口的太阳能可充电器件仍然显示出多界面能量损失和高成本等问题。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种新型低成本两端口太阳能可充电器件及制备方法，以满足实际应用的需要。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种低成本两端口太阳能可充电器件，包括法拉第结光电极和对电极为两个端口，两端口中间有电解质，构成两端口太阳能可充电器件；所述的法拉第结光电极包括直接接触的半导体和法拉体两种材料(最好置于导电衬底上)，所述的法拉体是一种电子离子耦合的导体。
进一步的，光充电时，所述的法拉第结光电极端口与对电极端口短路连接；暗态放电时，所述的法拉第结光电极端口与对电极端口中间连接负载。
进一步的，所述的法拉第结光电极能发生快速可逆的氧化还原反应；在光照下，法拉第结中的半导体产生电子空穴对，法拉体能捕获光生载流子和溶液中的离子，实现对太阳能的转化和存储。
进一步的，所述的法拉第结光电极的半导体，选自Si、GaAs、InP、Cu2O、TiO2、WO3、BiVO4、Fe2O3、Ta3N5、Cu2ZnSnS4、CuInGaSe2、CdS、CdSe等之一或两种以上的复合材料作为半导体。
所述的法拉第结光电极的法拉体材料，选自W基、Mo基、Ti基、Fe基、Co基、Ni基的氧化物或氢氧化物，C基，聚合物等之一或两种以上的复合材料作为法拉体。
所述的法拉第结光电极，采用低温制备方法，制备方法如下；利用(光)电沉积法、离子溅射法、旋涂法或水热法等之一的方法在导电衬底上半导体上表面制备法拉第结光电极。
所述的对电极，选择W基、Mo基、Ti基、Fe基、Co基、Ni基的氧化物或氢氧化物，C基，聚合物等之一或两种以上的复合材料作为对电极。
所述的电解质为水系电解液、有机系电解液、准固态电解质或固态电解质。
有益效果：本发明具有以下优点：(1)本发明的器件结构简单。本发明采用两端口设计，光充电时，将两个端口短接，光生电子(空穴)存储在法拉第结中，光生空穴(电子)转移到对电极处。暗态放电时，将两个端口接于负载两端，实现对负载的供电。
(2)制备方法简单，制备温度低，成本低廉，易于大规模生产。
(3)本发明的器件操作简便。相对于四端口和三端口器件来说，两端口的设计避免了在充放电过程中频繁的切换端口。
(4)本发明具有较高的暗态输出电压和输出功率。本发明可以直接将太阳能储存在器件中，并且能直接将电能释放到外电路，操作简单且具有通用性，可以有效平衡太阳能的日夜波动。
附图说明
图1为现有的四端口太阳能可充电器件结构示意图。
图2为现有的三端口太阳能可充电器件结构示意图。
图3为本发明实施例提供的两端口太阳能可充电器件结构示意图。
图4为金字塔形pn+-Si和担载WO3的pn+-Si的法拉第结光电极的表面和截面SEM图。
图5为pn+-Si/WO3法拉第结光电极在三电极体系中测试的不同扫速的光充电-暗放电循环伏安曲线。
图6为pn+-Si/WO3法拉第结光电极在三电极体系中测试的恒电流光充电-暗放电曲线。
图7为pn+-Si/WO3法拉第结光电极与碳布对电极组建的太阳能可充电器件在没有外加电压下，光照和暗态交替的电流响应。
图8为pn+-Si/WO3法拉第结光电极与碳布对电极组建的太阳能可充电器件在光充电和暗态放电交替下的电压响应。
图9为担载MoO3的pn+-Si的法拉第结光电极的表面(A)、和截面SEM图(B)。
图10为pn+-Si/MoO3法拉第结光电极在三电极体系中测试的光充电-暗放电循环伏安曲线。
图11为pn+-Si/MoO3法拉第结光电极在三电极体系中测试的恒电流光充电-暗放电曲线。
图12为pn+-Si/WO3法拉第结光电极与PANI对电极组建的太阳能可充电器件在没有外加电压下，光照和暗态交替的电流响应。
图13为pn+-Si/WO3法拉第结光电极与PANI对电极组建的太阳能可充电器件在光充电和暗态放电交替下的电压响应。
图14为n-Si/CoOx法拉第结光电极与碳布对电极组建的太阳能可充电器件在没有外加电压下，光照和暗态交替的电流响应。
图15为n-Si/CoOx法拉第结光电极与碳布对电极组建的太阳能可充电器件在光充电和暗态放电交替下的电压响应。
具体实施方式
请参阅图1，现有的四端口太阳能可充电器件是太阳能电池和储能器件的集成。当进行光充电时，太阳能电池的两个端口(1和2)分别与储能器件的两个端口(3和4)连接。当暗放电时，储能器件的两个端口3和4与负载连接。
请参阅图2，现有的三端口太阳能可充电器件是使太阳能电池与储能器件共用一个端口。当进行光充电时，端口2与3短路连接。当暗放电时，储能器件的两个端口1和2与负载连接。现有的是四端口和三端口器件操作复杂，需要频繁切换端口连接，而且具有多界面能量损失和高成本等问题。
鉴于前述现有器件的不足，本发明提出了低成本两端口太阳能可充电器件。
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图3，本发明实施例提供一种低成本两端口太阳能可充电器件，包括法拉第结光电极和对电极为两个端口，两端口中间有电解质，构成两端口太阳能可充电器件。光充电时，法拉第结光电极端口与对电极端口短路连接；暗态放电时，所述的法拉第结光电极端口与对电极端口中间连接负载。
所述的法拉第结光电极中的半导体，包括各种半导体光电极(如Si、GaAs、InP、Cu2O、TiO2、WO3、BiVO4、Fe2O3、Ta3N5、Cu2ZnSnS4、CuInGaSe2、CdS、CdSe等)及其复合材料
所述的法拉第结光电极中的法拉体，包括各种能够发生氧化还原反应的材料(如W基、Mo基、Ti基、Fe基、Co基、Ni基的氧化物或氢氧化物，C基，聚合物等)及其复合材料。
所述的对电极，包括各种W基、Mo基、Ti基、Fe基、Co基、Ni基的的氧化物或氢氧化物，C基，聚合物等及其复合材料。
所述的电解质为水系电解液、有机系电解液、准固态电解质或固态电解质。
下面结合实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，通过光电沉积的方法将WO3担载在金字塔形的半导体pn+-Si表面，作为pn+-Si/WO3法拉第结光电极，以亲水碳布为对电极，两个电极都浸在0.5M H2SO4水溶液中，两电极通过外电路连接构建双端口器件。
所述光电沉积法在pn+-Si制备WO3包括以下步骤：
步骤一、制备沉积电溶液：将0.08M H2O2,0.36M H2SO4和0.1M Na2WO4·2H2O溶于去离子水作为前驱体溶液。
步骤二、去除pn+-Si表面氧化层:将硅浸泡在5％HF溶液中30秒，以去除表面的SiOx层。
步骤三、三电极沉积WO3薄膜：将pn+-Si作为工作电极，饱和甘汞电极做为参比电极，碳棒作为对电极，上述步骤一所述溶液作为电解液，AM 1.5G(100mW cm-2)太阳光模拟器作为光源。利用电化学工作站的循环伏安测试模式，在0～0.5VSCE的范围内扫描，当沉积电量达到1C/cm2时停止沉积，从而得到pn+-Si/WO3法拉第结光电极。
请参阅图4,金字塔形pn+-Si和担载WO3的pn+-Si的法拉第结光电极的表面和截面SEM图。从表面和截面的SEM图可以看出，WO3均匀的担载在Si表面，厚度约为1微米。
请参阅图5,pn+-Si/WO3法拉第结光电极在三电极体系中测试的不同扫速的光充电-暗放电循环伏安曲线。图5说明pn+-Si/WO3法拉第结光电极在充放电过程中有良好的的电容性能，可以可逆的在0～0.8VSCE电势窗口内工作。
请参阅图6,pn+-Si/WO3法拉第结光电极在三电极体系中测试的恒电流光充电-暗放电曲线。从图6可以看出，pn+-Si/WO3是可以再充电的，能够稳定的在0～0.8VSCE电势窗口内光充电暗放电。
请参阅图7，pn+-Si/WO3法拉第结光电极与碳布对电极组建的太阳能可充电器件在没有外加电压下，光照和暗态交替的电流响应。光照时，pn+-Si半导体产生的光生电子储存在WO3法拉体中，产生的光生空穴流经外电路存储至碳布对电极，实现对器件的充电。在暗态短路连接下，电子和空穴在外电路复合，实现放电过程。
请参阅图8，pn+-Si/WO3法拉第结光电极与碳布对电极组建的太阳能可充电器件在光充电和暗态放电交替下的电压响应。光充电后，器件电压变小，充电后光态电压接近于0，关光后，暗态电压最大，随着暗态放电过程，放电电压减小。
实施例2
本实施例中，通过光电沉积的方法将MoO3担载在金字塔形的pn+-Si表面，作为pn+-Si/MoO3法拉第结光电极。
所述光电沉积法在pn+-Si制备MoO3包括以下步骤：
步骤一、制备沉积电溶液：将0.5M(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于去离子水作为前驱体溶液。
步骤二、去除pn+-Si表面氧化层:将硅浸泡在5％HF溶液中30秒，以去除表面的SiOx层。
步骤三、三电极沉积MoO3薄膜：将pn+-Si作为工作电极，饱和甘汞电极做为参比电极，碳棒作为对电极，上述步骤一所述溶液作为电解液，AM 1.5G(100mW cm-2)太阳光模拟器作为光源。利用电化学工作站的循环伏安测试模式，在-0.2～-0.8VSCE的范围内扫描，当沉积电量达到0.5C/cm2时停止沉积，从而得到pn+-Si/MoO3法拉第结光电极。
请参阅图9，担载MoO3的pn+-Si的法拉第结光电极的表面和截面SEM图。从表面和截面的SEM图可以看出，MoO3均匀的担载在Si表面，厚度约为1微米。
请参阅图10，pn+-Si/MoO3法拉第结光电极在三电极体系中测试的光充电-暗放电循环伏安曲线。图10说明pn+-Si/MoO3法拉第结光电极在充放电过程中有良好的的电容性能，可以在-0.6～-0.1VSCE电势窗口内实现光充电和暗放电过程。
请参阅图11，pn+-Si/MoO3法拉第结光电极在三电极体系中测试的恒电流光充电-暗放电曲线。从图11可以看出，pn+-Si/MoO3是可以再充电的，能够稳定的在-0.6～-0.1VSCE电势窗口内光充电暗放电。
实施例3
本实施例中，通过光电沉积的方法将WO3担载在金字塔形的pn+-Si表面，作为pn+-Si/WO3法拉第结光电极，通过电沉积的方法将PANI担载在碳纸上作为对电极，两个电极都浸在0.5M H2SO4水溶液中，两电极通过外电路连接构建双端口器件。
所述光电沉积法在pn+-Si制备WO3过程同实施例1。
所述电沉积方法将PANI担载在碳纸上包括以下步骤：
步骤一、制备沉积电溶液：将0.1M苯胺和0.2M H2SO4溶于去离子水作为前驱体溶液。
步骤二、三电极沉积PANI薄膜：将碳纸作为工作电极，饱和甘汞电极做为参比电极，碳棒作为对电极，上述步骤一所述溶液作为电解液，利用电化学工作站的循环伏安测试模式，在-0.2～1VSCE的范围内扫描，当沉积电量达到1C/cm2时停止沉积，从而得到PANI对电极。
请参阅图12，pn+-Si/WO3法拉第结光电极与PANI对电极组建的太阳能可充电器件在没有外加电压下，光照和暗态交替的电流响应。光照时，pn+-Si半导体产生的光生电子储存在WO3法拉体中，产生的光生空穴流经外电路存储至PANI对电极，实现对器件的充电。在暗态短路连接下，电子和空穴在外电路复合，实现放电过程。
请请参阅图13，pn+-Si/WO3法拉第结光电极与PANI对电极组建的太阳能可充电器件在光充电和暗态放电交替下的电压响应。光充电后，器件电压变小，充电后光态电压接近于0，关光后，暗态电压最大，随着暗态放电过程，放电电压减小。
实施例4
本实施例中，通过电沉积的方法将CoOx担载在n型Si表面，作为Si/CoOx法拉第结光电极，以亲水碳布为对电极，两个电极都浸在0.2M KOH和0.4M H3BO3混合溶液中，两电极通过外电路连接构建双端口器件。
所述电沉积法在n型Si上制备CoOx包括以下步骤：
步骤一、制备沉积电溶液：将0.1M Co(NO3)2溶于去离子水作为前驱体溶液。
步骤二、三电极沉积CoOx薄膜：将n型Si作为工作电极，饱和甘汞电极做为参比电极，碳棒作为对电极，上述步骤一所述溶液作为电解液，利用电化学工作站的电流-时间测试模式，将电位设置为-0.8VSCE后开始电沉积，当沉积电量达到20mC/cm2时停止沉积，从而得到Si/CoOx法拉第结光电极。
请参阅图14，Si/CoOx法拉第结与碳布对电极组建的太阳能可充电器件在光照和暗态交替下的光电流响应。光照下，n-Si半导体产生的光生空穴储存在法拉体中，产生的光生电子流经外电路存储至碳布对电极，实现对器件的充电。在暗态短路连接下，电子和空穴在外电路复合，实现放电过程。
请参阅图15，Si/CoOx法拉第结与碳布对电极组建的太阳能可充电器件在光充电和暗态放电交替下的电压响应。光充电前后，器件电压变小，充电后光态电压接近于0，关光后，暗态电压最大，随着暗态放电过程，放电电压减小。
Claims (9)
1.一种低成本两端口太阳能可充电器件，其特征在于，包括法拉第结光电极和对电极为两个端口，两端口中间有电解质，构成两端口太阳能可充电器件；所述的法拉第结光电极包括直接接触的半导体和法拉体两种材料，所述的法拉体是一种电子离子耦合的导体。
2.根据权利要求1所述的太阳能可充电器件，其特征在于，光充电时，所述的法拉第结光电极端口与对电极端口短路连接；暗态放电时，所述的法拉第结光电极端口与对电极端口中间连接负载。
3.根据权利要求1所述的太阳能可充电器件，其特征在于，所述的法拉第结光电极能发生快速可逆的氧化还原反应；在光照下，法拉第结中的半导体产生电子空穴对，法拉体能捕获光生载流子和溶液中的离子，实现对太阳能的转化和存储。
4.根据权利要求1所述的太阳能可充电器件，其特征在于，所述的法拉第结光电极的半导体，选自Si、GaAs、InP、Cu2O、TiO2、WO3、BiVO4、Fe2O3、Ta3N5、Cu2ZnSnS4、CuInGaSe2、CdS、CdSe等之一或两种以上的复合材料作为半导体。
5.根据权利要求1所述的太阳能可充电器件，其特征在于，所述的法拉第结光电极的法拉体材料，选自W基、Mo基、Ti基、Fe基、Co基、Ni基的氧化物或氢氧化物，C基，聚合物等之一或两种以上的复合材料作为法拉体。
6.根据权利要求1所述的太阳能可充电器件，其特征在于，所述的法拉第结光电极，采用低温制备方法，制备方法如下；利用光电沉积法、离子溅射法、旋涂法或水热法等之一的方法在导电衬底上半导体上表面制备法拉第结光电极。
7.根据权利要求1所述的太阳能可充电器件，其特征在于，所述的对电极，选择W基、Mo基、Ti基、Fe基、Co基、Ni基的氧化物或氢氧化物，C基，聚合物等之一或两种以上的复合材料作为对电极。
8.根据权利要求1所述的太阳能可充电器件，其特征在于，所述的电解质为水系电解液、有机系电解液、准固态电解质或固态电解质。
9.根据权利要求1-8之一所述的太阳能可充电器件的制备方法，其特征在于，通过光电沉积的方法将WO3担载在金字塔形的半导体pn+-Si表面，作为pn+-Si/WO3法拉第结光电极，以亲水碳布为对电极，两个电极都浸在0.5M H2SO4水溶液中，两电极通过外电路连接构建双端口器件；
所述光电沉积法在pn+-Si制备WO3包括以下步骤：
步骤一、制备沉积电溶液：将0.08M H2O2,0.36M H2SO4和0.1M Na2WO4·2H2O溶于去离子水作为前驱体溶液；
步骤二、去除pn+-Si表面氧化层:将硅浸泡在5％HF溶液中30秒，以去除表面的SiOx层；
步骤三、三电极沉积WO3薄膜：将pn+-Si作为工作电极，饱和甘汞电极做为参比电极，碳棒作为对电极，上述步骤一所述溶液作为电解液，AM 1.5G(100mW cm-2)太阳光模拟器作为光源；利用电化学工作站的循环伏安测试模式，在0～0.5VSCE的范围内扫描，当沉积电量达到1C/cm2时停止沉积，从而得到pn+-Si/WO3法拉第结光电极。
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