CN112910379A - 一种光热-热释电异质结光伏能量收集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光热‑热释电异质结光伏能量收集器及其制备方法，属于能量收集技术领域。所述收集器包括光热区和热释电区；所述光热区和热释电区通过环氧树脂进行连接；其中，热释电区由热释电材料和电极层组成，所述电极层涂覆在热释电材料的上下表面，形成三明治结构；所述光热区是一种柔性膜。制备方法为：向光热材料中加入有机聚合物，混匀得到光热材料‑有机聚合物原始浆料，使用流延法或刮涂法制备得到柔性膜；将电极涂敷在热释电材料的上下表面得到热释电区；使用环氧树脂将柔性膜和热释电区粘接起来，制作成所述基于光热‑热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器。该收集器具有成本低、工艺简单、没有噪音等优点。
Description
技术领域
本发明属于能量收集技术领域，涉及到一种光热-热释电异质结光伏能量收集器及其制备方法。
背景技术
随着科学技术和人类社会的发展，全球性的能源危机和环境污染变得愈发严重，许多国家和地区已经在高度重视可再生能源的开发利用，例如太阳能、风能、潮汐能、电磁能、废热能等。而且，微电子、无线通信的迅速发展推动电源向着微小化、集成化和便捷携带的方向发展。在这样的环境下，能量收集器应运而生。能量收集器可以将环境中的能量直接转换为电能，并且其体积大小可控，可以为无电池便携式设备、无线传感器网络提供绿色电能。目前，人们已研制出不同类型的能量收集器，并且这些能量收集器在科研、生产和社会生活中已经开始被使用。将太阳光能转化为电能的方法有太阳能电池和铁电光伏，其中太阳能电池的使用最为广泛，但是太阳能电池板生产过程中会产生污染，而且其制作工艺复杂、成本昂贵，限制了其在普通人众中的使用；铁电光伏是近几年新发现的现象，在某些铁电体上进行光照时铁电体会产生电信号，但是其还在研究阶段，得到的电信号十分微弱，不足以为电子器件供电。这就亟需一种能够将太阳光能转化为电能的低成本、低污染、高转化效率的方式。
光热-热释电协同异质结光伏能量收集器是由光热材料和热释电材料复合而成，不仅具有前者的光热效应和后者的热释电效应，而且还能通过协同作用形成异质结光伏效应，在能量收集领域具有巨大的应用前景。文献1“High-Performance PhotothermalConversion of Narrow-Bandgap Ti2O3 Nanoparticles”，Juan Wang，et al，AdvancedMaterials，Volume 29，Issue 3，2017中发现纳米Ti2O3颗粒具有高光热性能，报道显示纳米Ti2O3颗粒光吸收率为92.5％，光热转换率为92％，在1kW/m2的模拟太阳光下温度可以升高24.5℃。专利1“一种热释电材料的应用CN202010473493.6”公开了一种将热释电材料用于热能收集，采用多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料作为热释电材料，可以将1℃以上的温度波动转化为电能。许多学者对于热释电材料的热释电性能进行了深入研究，但是在其应用上研究较少，他们多数采用实验室条件下的冷热水循环、水蒸气的冷凝与蒸发等方式实现温度波动，但是在现实生活中很难有高频率、高温度梯度的温度波动，这极大限制了热释电材料在能量收集领域的应用。光热-热释电协同异质结光伏能量收集器的核心优势是可充分选择现有的性能优异的光热材料和热释电材料，设计异质结复合结构，从而优化材料的耦合光伏性能，制备的能量收集器具有环境要求低、成本低、易于小型化和无污染等综合优势。
发明内容
本申请针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器及其制备方法，通过对能量收集器进行光照和遮光处理，光热区为热释电区提供快速的温度变化利用光热效应和热释电效应的协同效应，经过光-热-电的转化过程可以实现将太阳光能转换为电能，实现太阳能收集的目的。
本发明的技术方案如下：
一种光热-热释电异质结光伏能量收集器，所述新型异质结光伏能量收集器包括光热区和热释电区；所述光热区和热释电区通过环氧树脂进行连接；其中，热释电区由热释电材料和电极层组成，所述电极层涂覆在热释电材料的上下表面，形成三明治结构；所述光热区是一种柔性膜。
进一步的，所述柔性膜是由光热材料和有机聚合物形成的。
进一步的，所述光热材料为石墨烯、石墨或Ti2O3中的至少一种。
进一步的，所述有机聚合物为为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或/和聚对苯二甲酸乙二醇酯PET。
进一步的，所述柔性膜是将光热材料颗粒均匀分散到有机聚合物中，采用流延法或刮涂法制作。
进一步的，所述热释电材料为锆钛酸铅系、铌镁酸铅-钛酸铅系或钛酸锶钡系的陶瓷或单晶中至少一种。
进一步的，电极层为铂电极、银电极或金电极中的任一种。
一种光热-热释电异质结光伏能量收集器的制备方法，所述方法为：
S1、向有机聚合物中加入光热材料，混匀得到光热材料-有机聚合物原始浆料，使用流延法或刮涂法制备得到柔性膜即光热区；
S2、将电极涂敷在热释电材料的上下表面，总体厚度为0.3～0.5mm，得到热释电区；
S3、使用环氧树脂将S1中制备得到的柔性膜和S2中制备得到的热释电区粘接起来，制作成所述基于光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器。
进一步的，S1中有机聚合物与光热材料的质量比为10：1-20：1。
进一步的，S1中所述柔性膜厚度为20～40μm。
本发明有益的技术效果在于：
本发明创造性的提出了光热-热释电协同异质结光伏效应，利用高光热性能的光热材料和高热释电效应的热释电材料制作成异质结光伏能量收集器，通过异质结光伏能量收集器可以将环境中的太阳光能转换为电能，这为利用太阳光能提供了一种新的思路。光热区采用流延法或刮涂法制备光热材料与高透光聚合物混合薄膜，解决了在保证光热材料的光热性能不降低的同时与热释电材料复合问题。
(1)本发明提出的光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器可以实现自然光照和遮光处理下的高频率、高温度梯度的变化，解决了热释电材料在自然状态下温度波动小、温度梯度低、能量收集效率低、应用场所狭窄的问题。其具有体积大小可控、成本低、制作工艺简单、没有噪音等优点，解决了传统太阳能光热发电设备体积大、结构复杂、不灵活等问题，可以有效的利用太阳光进行发电，适合用于小型化、大批量生产的太阳光能能量收集器。
(2)本发明创造性的提出了一种新型异质结光伏效应，创造性的采用流延法或刮涂法制备光热材料与高透光聚合物混合薄膜，解决了在保证光热材料的光热性能不降低的同时与热释电材料复合问题。采用高光热性能的光热材料与高热释电性能的热释电材料用于能量收集器的制作，具有绿色环保、体积大小可控等优点，提供了一种太阳能利用的新途径，扩展了热释电材料的应用空间，为光热材料和热释电材料的研究提供了新的思路。
(3)将基于光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器应用在微电子器件中，可以实现电子元件自供电，为微电子设备的供电问题提供了新的思路。使用的原料可以循环使用，在微电子、无线通讯以及便携式设备供电等方面上有巨大的应用前景和商业价值。
附图说明
图1是本发明实施例2中制备得到的光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集装置的结构图。
图2是本发明实施例1光热-热释电异质结光伏能量收集器的结构图；图中：1、Ti2O3-PMMA薄膜，2、锆钛酸铅陶瓷，3、银电极。
图3是本发明实施例3中光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集装置在1kW/m2的模拟太阳光下测得的温度随时间变化曲线。
图4是本发明实施例3中光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集装置在1kW/m2的模拟太阳光下测得的电压随时间变化曲线。
图5是本发明实施例3中光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集装置在1kW/m2的。
图6是本发明光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器装置的结构示意图；其中，1、光热层，2、热释电层，3、电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
实施例1
光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器的制备步骤为：
1、使用行星球磨机制备纳米级Ti2O3粉末，配制均匀的Ti2O3-PMMA原始浆料，经过真空除泡处理后，取适量浆料滴在光学玻璃上，使用刮涂器在光学玻璃上制备Ti2O3-PMMA薄膜，经过24小时真空烘干得到Ti2O3-PMMA薄膜，薄膜厚度为30μm；
2、采用固相烧结法制备锆钛酸铅系压电材料(Pb(Zr1-xTix)O3，0<x<1，PZT)，具体成分为PbZr0.52Ti0.48O3，使用Ag电极涂敷在陶瓷的上下表面，总体厚度为0.3mm；
3、使用环氧树脂将Ti2O3-PMMA薄膜和两面均涂敷有Ag电极的PZT陶瓷粘接起来，制作成光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器。结构详情见图2。
实施例2
光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器的应用
将实施例1制备得到的光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器制备一种基于光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集装置，其中包括光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器、整流器和外接电路三部分，其中光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器的上电极和下电极与整流器的交流输入端连接，整流器的直流输出端的正极端口与外接电路连接，构成一个完整的电路，可以实现将太阳光能转换电能，实现太阳能的收集，其中整流器是普通商用型，可以将交流电转化为直流电，通过导线与能量收集器、外接电路相连。详细见图1。其工作原理为：通过对光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器进行光照和遮光处理，光热区为热释电区提供快速的温度变化，从而激活热释电区的热释电效应，热释电区表面上出现正或负的电荷，且电荷密度与温度波动有关，从而将热能转化电能，实现光-热-电的转化。然后通过整流器可以把交流电转化为直流电，为外接为电池进行充电或外接设备供电，实现太阳能的收集。
实施例3
将实施例中制备得到的基于光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集装置进行性能测试，结果测试发现：当光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器的有效面积为2.85cm2，利用光学开关对能量收集器进行光照30s和遮光60s的处理，在自然无风状态下冷却，测得最大ΔT为6℃，测得最高电压为0.15V，最大电流密度可达1000μA/m2。结果证明，光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器能够有效对太阳光能进行收集，新型异质结光伏效应的提出扩展了热释电材料的应用场所，提高了热释电能量收集效率。且分别测试光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器在模拟太阳光下温度随时间变化曲线、电压随时间变化曲线以及电流密度随时间变化曲线。
图3显示在30s的光照和60s遮光处理下，异质结光伏能量收集器的温度迅速升高和降低，最高温差可达6℃，而且其温度波动的频率可以达到较大水平。这说明异质结光伏能量收集器可以在现实生活中实现远高于自然环境的温差和温度波动频率，可以实现高频率的、高效率的能量收集活动。
图4显示在30s的光照和60s遮光处理下，异质结光伏能量收集器得到的电流密度最高可达1000μA/m2，而且性能稳定，远高于同等条件下的热释电能量收集器。这说明异质结光伏能量收集器可以将光能转化为电能，在能量收集活动中可以得到较高的电流密度。
图5显示在30s的光照和60s遮光处理下，有效面积为2.85cm2的异质结光伏能量收集器得到的电压最高可达0.15V，在较小的面积下实现了较大的电压。这说明异质结光伏能量收集器可以将光能转化为电能，在能量收集活动中，可以持续产生电压。
Claims (10)
1.一种光热-热释电异质结光伏能量收集器，其特征在于，所述新型异质结光伏能量收集器包括光热区和热释电区；所述光热区和热释电区通过环氧树脂进行连接；其中，热释电区由热释电材料和电极层组成，所述电极层涂覆在热释电材料的上下表面，形成三明治结构；所述光热区是一种柔性膜。
2.根据权利要求1所述的光热-热释电异质结光伏能量收集器，其特征在于，所述柔性膜是由光热材料和有机聚合物形成的。
3.根据权利要求2所述的光热-热释电异质结光伏能量收集器，其特征在于，所述光热材料为石墨烯、石墨或Ti2O3中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的光热-热释电异质结光伏能量收集器，其特征在于，所述有机聚合物为为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或/和聚对苯二甲酸乙二醇酯PET。
5.根据权利要求1所述的光热-热释电异质结光伏能量收集器，其特征在于，所述柔性膜是将光热材料颗粒均匀分散到有机聚合物中，采用流延法或刮涂法制作。
6.根据权利要求1所述的光热-热释电异质结光伏能量收集器，其特征在于，所述热释电材料为锆钛酸铅系、铌镁酸铅-钛酸铅系或钛酸锶钡系的陶瓷或单晶中至少一种。
7.根据权利要求1所述的光热-热释电异质结光伏能量收集器，其特征在于，电极层为铂电极、银电极或金电极中的任一种。
8.一种如权利要求1中所述的光热-热释电异质结光伏能量收集器的制备方法，其特征在于，所述方法为：
S1、向有机聚合物中加入光热材料，混匀得到光热材料-有机聚合物原始浆料，使用流延法或刮涂法制备得到柔性膜即光热区；
S2、将电极涂敷在热释电材料的上下表面，总体厚度为0.3～0.5mm，得到热释电区；
S3、使用环氧树脂将S1中制备得到的柔性膜和S2中制备得到的热释电区粘接起来，制作成所述基于光热-热释电协同效应的新型异质结光伏能量收集器。
9.根据权利要求8所述的光热-热释电异质结光伏能量收集器的制备方法，其特征在于，S1中有机聚合物与光热材料的质量比为10：1-20：1。
10.根据权利要求8所述的光热-热释电异质结光伏能量收集器的制备方法，其特征在于，S1中所述柔性膜厚度为20～40μm。
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