CN113644862A - 一种轻质柔性复合能源采集器件结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种轻质柔性复合能源采集器件结构及其制备方法，针对环境能源利用需求，将高效柔性薄膜太阳能电池与轻质摩擦发电两种不同特性的单体电池，通过中间层进行复合。中间层采用多层膜结构设计，即可作为两种电池的隔离层和支撑层，同时作为太阳能电池的电路层。为防止电荷相消，摩擦发电采用网格化设计，包含多个摩擦发电模块，每个发电模块结构独立，多个发电模块分别进行能量采集。通过区域选择性键合和硅橡胶粘合，分别完成摩擦发电、太阳能电池与中间层的复合，实现复合能源器件对太阳能和机械能的高效采集，满足野外智能装备对全天候、长时间、轻量化发电器件的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻质柔性复合能源采集器件结构及其制备方法，属于可再生能源系统技术领域。
背景技术
随着科技的发展，登山、探险、单兵等户外作业者都配备大量数字化装备，使得户外装备对电能的需求激增，这些野外作业者不得不携带大量的充电电池作为携带智能装备的电源，因此，大幅增加了野外作业者的体力消耗，限制了其机动能力的发挥，同时充电电池使用时间有限，在不能及时充电的情况下，会导致携带的智能装备无法正常工作。因此，需要发展可持续发电的轻量化能量采集系统，充分利用环境能量。
太阳能电池是将太阳光转化成电的能源器件，太阳能够照射到的地方就可以使用太阳能电池发电，而且太阳能取之不尽、清洁无污染、无噪声，因此，高效轻质太阳能电池在野外环境能源供给上具有巨大的优势。虽然太阳能光伏器件有较高的输出，但其容易受天气影响，不能持续工作。因此需要寻找一种全天候、长时间持续供电的能源。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种轻质柔性复合能源采集器件结构及其制备方法，充分利用环境中的能量进行发电，满足全天候、持续供电需求。
本发明的技术解决方案是：一种轻质柔性复合能源采集器件结构，包括依次复合连接的柔性太阳能电池结构层、胶粘层、中间层、复合层和摩擦发电电池层；
所述柔性太阳能电池结构层为柔性薄膜太阳能电池；
所述胶粘层采用硅橡胶材料，通过柔性太阳能电池转移方式，将柔性太阳能电池结构层与中间层粘结在一起；
所述中间层包括热压复合而成的多个绝缘膜层和导电膜层；
所述的复合层通过选择性热压键合，将中间层上的键合区与摩擦发电模块四周的金属层键合而成的金属结合层；
所述摩擦发电电池层包括网格化分布的多个摩擦发电模块，每个发电模块具有独立的摩擦结构。
进一步地，所述柔性太阳能电池结构层根据需求设置为串联或并联或串并联结构，并选用耐温范围大于-100℃～+100℃的透明聚酰亚胺薄膜作为太阳能电池上表面封装材料。
进一步地，所述柔性太阳能电池结构层的柔性太阳能电池转移采用热剥离膜，通过与柔性电池膜面粘合，支撑弯曲的柔性电池。
进一步地，所述中间层中，柔性绝缘膜层内置电池电路，通过热压方式进行复合，并在中间层单侧预留焊接窗口，用于太阳能电池功率输出。
进一步地，在中间层的另一侧局部内置金属箔，并通过局部镂空方式，制备金属键合区。
进一步地，局部金属键合区通过在中间层的另一侧溅射金属层的方式制备。
进一步地，摩擦发电模块采用聚酰亚胺和铝膜分别作为正性摩擦材料和负性摩擦材料，通过两种材料编织而成。
进一步地，聚酰亚胺膜为摩擦材料的基材，铝膜溅射在聚酰亚胺膜上，摩擦材料面通过含氟等离子处理进行织构。
进一步地，摩擦发电模块铝膜面朝向中间层，摩擦发电模块四周为金属层。
所述的一种轻质柔性复合能源采集器件结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，采用柔性薄膜砷化镓电池、柔性非晶硅电池或柔性铜铟镓硒电池，根据设计需求进行串联设计，通过热压焊接、或低温电阻焊接方式实现柔性太阳能电池的串联，形成柔性太阳能电池串；
步骤2，在聚酰亚胺上溅射铝膜；通过含氟等离子体进行摩擦材料的织构，正性材料摩擦面为织构化的聚酰亚胺面，负性材料摩擦面为织构化的铝膜面，对正性摩擦材料和负性摩擦材料进行平面编制，制备摩擦发电模块；
步骤3，将聚酰亚胺内置铜箔电池电路，通过热压复合制成中间层；并在中间层的另一侧制备键合区；
步骤4，对中间层上的键合区和摩擦发电模块上的键合区域进行清洗，并放入真空键合设备中进行加热，对键合区进行局部加压并键合，将摩擦发电模块与中间层结合在一起；
步骤5，采用热剥离膜对柔性太阳能电池串正面进行支撑，将柔性太阳能电池串粘结在中间层上，并将柔性太阳能电池串的电极与中间层上的焊接窗口进行焊接；
步骤6，采用聚酰亚胺对柔性太阳能电池串正面进行封装。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明在不降低太阳能电池和轻质摩擦发电电池转换效率的情况下，通过设计特殊的中间层结构，实现太阳能电池与摩擦发电电池的轻质柔性复合，提高对环境能源的利用效率。；
附图说明
图1柔性复合能源采集器件结构示意图；
图2摩擦发电模块阵列示意图；
图3采用镂空金属键合区的中间层结构；
图4采用溅射金属结合区的中间层结构。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本发明的轻质柔性复合能源采集器包含柔性薄膜太阳能电池、轻质摩擦发电两种电池，实现对太阳能和摩擦能的有效采集。
本发明在不降低太阳能电池和摩擦发电电池转换效率的前提下，通过中间层直接复合的方式，实现两种异质异构电池的柔性轻质结合，可显著提高能源采集器件能量采集范围，促进其在长期野外环境中工程应用。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种轻质柔性复合能源采集器件结构及其制备方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～4所示)：柔性太阳能电池结构层11、胶粘层12、中间层13、复合层14、摩擦发电电池层15。
所述的柔性太阳能电池结构层11，采用柔性薄膜太阳能电池，根据需求进行串并联设计，并选用耐高低温、耐紫外的透明聚酰亚胺(PI)薄膜作为太阳能电池上表面封装材料。
所述的胶粘层12，采用硅橡胶材料，通过柔性太阳能电池转移方式，将柔性太阳能电池与中间层粘结在一起，进一步的，柔性太阳能电池转移采用热剥离膜，通过与柔性电池膜面粘合，支撑弯曲的柔性电池。
所述的中间层13，中间层位于太阳能电池的下方，由多个绝缘膜层和导电膜层热压复合而成。进一步的，柔性绝缘膜层内置电池电路，通过热压方式进行复合，并在中间层单侧预留焊接窗口，用于太阳能电池功率输出。进一步的，在中间层的另一侧局部内置金属箔，并通过局部镂空方式，制备金属键合区。进一步的，局部金属键合区，可以通过在中间层的另一侧溅射金属层的方式制备。
所述的复合层14，通过选择性热压键合，将中间层上的键合区与摩擦发电模块四周的金属层键合而成的金属结合层。
所述的摩擦发电电池层15，摩擦发电电池层由网格化分布的多个摩擦发电模块化构成，每个发电模块具有独立的摩擦结构。进一步的，摩擦发电模块采用聚酰亚胺和铝膜分别作为正性摩擦材料和负性摩擦材料，通过两种材料编织而成。进一步的，聚酰亚胺膜为摩擦材料的基材，铝膜溅射在聚酰亚胺膜上，摩擦材料面通过含氟等离子处理进行织构。进一步的，摩擦发电模块铝膜面朝向中间层，摩擦发电模块四周为金属层。
实施例1
本发明专利提供一种功能集成轻质太阳能电池模块，包括：柔性太阳能电池结构层11、胶粘层12、中间层13、复合层14、摩擦发电电池层15等部分组成。具体制备步骤如下：
步骤1：柔性电池串联制备，采用柔性薄膜砷化镓电池、或柔性非晶硅电池、柔性铜铟镓硒电池等，根据设计需求进行串联设计，通过热压焊接、或低温电阻焊接方式实现电池的串联。
步骤2：摩擦发模块电制备，在厚度为12.5μm聚酰亚胺上溅射铝膜，厚度为0.2μm，溅射压强为1×10-3pa，溅射功率为200W，溅射时长为1h。通过含氟等离子体进行摩擦材料的织构，正性材料摩擦面为织构化的聚酰亚胺面，负性材料摩擦面为织构化的铝膜面，对正性摩擦材料和负性摩擦材料进行平面编制，制备摩擦发电模块面积为50mm×50mm。
步骤3：中间层制备，如图3所示，中间层由多层聚酰亚胺内置金属铜箔和铝箔，通过热压复合而成。其中，17和21为12.5μm的聚酰亚胺膜，19为25μm聚酰亚胺膜，18为35μm厚、2mm宽的金属铜箔，22为8mm长、2mm宽的电池电路焊接窗口，通过激光镂刻而成，20为35μm厚、5mm宽的铝箔，27金属键合区，通过激光镂刻而成，键合区域外围尺寸50mm×50mm，宽5mm的为正方向方形框。23、24、25、26为15μm的环氧胶粘结层。
步骤4：对中间层上的键合区和摩擦发电模块上的键合区域进行清洗，并放入真空键合设备中，加热300℃，对键合区进行局部加压5000N，键合1h，将摩擦发电模块与中间层结合在一起。
步骤5：采用热剥离膜对柔性电池正面进行支撑，采用704硅橡胶将电池粘结在中间层上，并将电池串的电极与中间层上的焊接窗口进行焊接。
步骤6：采用透明PI对柔性太阳能电池正面进行封装。
实施例2
本发明专利提供一种功能集成轻质太阳能电池模块，包括：柔性太阳能电池结构层11、胶粘层12、中间层13、复合层14、摩擦发电电池层15等部分组成。具体制备步骤如下：
步骤1：柔性电池串联制备，采用柔性薄膜砷化镓电池、或柔性非晶硅电池、柔性铜铟镓硒电池等，根据设计需求进行串联设计，通过热压焊接、或低温电阻焊接方式实现电池的串联。
步骤2：摩擦发模块电制备，在厚度为12.5μm聚酰亚胺上溅射铝膜，厚度为0.2μm，溅射压强为1×10-3pa，溅射功率为200W，溅射时长为1h。通过含氟等离子体进行摩擦材料的织构，正性材料摩擦面为织构化的聚酰亚胺面，负性材料摩擦面为织构化的铝膜面，对正性摩擦材料和负性摩擦材料进行平面编制，制备摩擦发电模块面积为50mm×50mm。
步骤3：中间层制备，如图4所示，中间层由聚酰亚胺内置铜箔电池电路，通过热压复合而成。其中，17为12.5μm的聚酰亚胺，18为35μm厚、2mm宽的金属铜箔，19为25μm聚酰亚胺，22为8mm长、2mm宽的电池电路焊接窗口，通过激光镂刻而成；28为200nm、5mm宽的铝箔，通过磁控溅射制备而成。23、24为15μm的环氧胶粘结层。
步骤4：对中间层上的键合区和摩擦发电模块上的键合区域进行清洗，并放入真空键合设备中，加热300℃，对键合区进行局部加压5000N，键合1h，将摩擦发电模块与中间层结合在一起。
步骤5：采用热剥离膜对柔性电池正面进行支撑，采用704硅橡胶将电池粘结在中间层上，并将电池串的电极与中间层上的焊接窗口进行焊接。
步骤6：采用透明PI对柔性太阳能电池正面进行封装。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种轻质柔性复合能源采集器件结构，其特征在于：包括依次复合连接的柔性太阳能电池结构层(11)、胶粘层(12)、中间层(13)、复合层(14)和摩擦发电电池层(15)；
所述柔性太阳能电池结构层(11)为柔性薄膜太阳能电池；
所述胶粘层(12)采用硅橡胶材料，通过柔性太阳能电池转移方式，将柔性太阳能电池结构层(11)与中间层(13)粘结在一起；
所述中间层(13)包括热压复合而成的多个绝缘膜层和导电膜层；
所述的复合层(14)通过选择性热压键合，将中间层(13)上的键合区与摩擦发电模块四周的金属层键合而成的金属结合层；
所述摩擦发电电池层(15)包括网格化分布的多个摩擦发电模块，每个发电模块具有独立的摩擦结构。
2.根据权利要求1所述的一种轻质柔性复合能源采集器件结构，其特征在于：所述柔性太阳能电池结构层(11)根据需求设置为串联或并联或串并联结构，并选用耐温范围大于-100℃～+100℃的透明聚酰亚胺薄膜作为太阳能电池上表面封装材料。
3.根据权利要求1所述的一种轻质柔性复合能源采集器件结构，其特征在于：所述柔性太阳能电池结构层(11)的柔性太阳能电池转移采用热剥离膜，通过与柔性电池膜面粘合，支撑弯曲的柔性电池。
4.根据权利要求1所述的一种轻质柔性复合能源采集器件结构，其特征在于：所述中间层(13)中，柔性绝缘膜层内置电池电路，通过热压方式进行复合，并在中间层(13)单侧预留焊接窗口，用于太阳能电池功率输出。
5.根据权利要求4所述的一种轻质柔性复合能源采集器件结构，其特征在于：在中间层(13)的另一侧局部内置金属箔，并通过局部镂空方式，制备金属键合区。
6.根据权利要求4所述的一种轻质柔性复合能源采集器件结构，其特征在于：局部金属键合区通过在中间层(13)的另一侧溅射金属层的方式制备。
7.根据权利要求1所述的一种轻质柔性复合能源采集器件结构，其特征在于：摩擦发电模块采用聚酰亚胺和铝膜分别作为正性摩擦材料和负性摩擦材料，通过两种材料编织而成。
8.根据权利要求7所述的一种轻质柔性复合能源采集器件结构，其特征在于：聚酰亚胺膜为摩擦材料的基材，铝膜溅射在聚酰亚胺膜上，摩擦材料面通过含氟等离子处理进行织构。
9.根据权利要求1所述的一种轻质柔性复合能源采集器件结构，其特征在于：摩擦发电模块铝膜面朝向中间层(13)，摩擦发电模块四周为金属层。
10.根据权利要求1～9任一项所述的一种轻质柔性复合能源采集器件结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，采用柔性薄膜砷化镓电池、柔性非晶硅电池或柔性铜铟镓硒电池，根据设计需求进行串联设计，通过热压焊接、或低温电阻焊接方式实现柔性太阳能电池的串联，形成柔性太阳能电池串；
步骤2，在聚酰亚胺上溅射铝膜；通过含氟等离子体进行摩擦材料的织构，正性材料摩擦面为织构化的聚酰亚胺面，负性材料摩擦面为织构化的铝膜面，对正性摩擦材料和负性摩擦材料进行平面编制，制备摩擦发电模块；
步骤3，将聚酰亚胺内置铜箔电池电路，通过热压复合制成中间层(13)；并在中间层(13)的另一侧制备键合区；
步骤4，对中间层(13)上的键合区和摩擦发电模块上的键合区域进行清洗，并放入真空键合设备中进行加热，对键合区进行局部加压并键合，将摩擦发电模块与中间层(13)结合在一起；
步骤5，采用热剥离膜对柔性太阳能电池串正面进行支撑，将柔性太阳能电池串粘结在中间层(13)上，并将柔性太阳能电池串的电极与中间层(13)上的焊接窗口进行焊接；
步骤6，采用聚酰亚胺对柔性太阳能电池串正面进行封装。
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