CN114080678A - 混合能源装置、系统及其方法 - Google Patents

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山姆·施沃维兹
马希德·帕勒万尼奈扎得
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10644137 Canada Inc
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Abstract

一种多层装置，具有透明或半透明衬底；太阳能电池层，其耦接到衬底；储能层，其耦接到太阳能电池层；以及转换器层，其耦接到储能层。太阳能电池层具有多个太阳能电池，用于接收穿过衬底的光并将接收的光的能量转换为第一电能；储能层具有一个或多个储能单元，用于存储第二电能；并且转换器层具有一个或多个功率转换器，电连接到太阳能电池层和储能层，用于从太阳能电池层和储能层接收第一电能和第二电能并通过其输出输出第三电能。

Description

混合能源装置、系统及其方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年4月10日提交的美国临时专利申请序列号62/831，828的利益，其内容通过引用全文并入本文。
技术领域
本公开涉及能源装置、系统及其方法，且具体地涉及集成混合能源的装置和系统，例如用于为各种应用提供电能的太阳能电池和电池。
背景技术
太阳能作为一种清洁、实用的能源已被广泛应用。例如，太阳能板可以部署在阳光充足的位置(例如屋顶)用于收集太阳能并将收集的太阳能转换为电力，用于为各种电气装置供电。各种形式、样式和尺寸的太阳能电池板已广泛用作各种装置的能源部件，例如太阳能瓦片、电话充电器、住宅电器、工业装置等。
例如，图1至3显示了使用参考数字10共同表示的一些现有技术太阳能收集系统。在图1所示的太阳能收集系统10中，太阳能电池板12或更具体地说，光伏(PV)电池板用于将太阳能转换为电并将其输出到电功率转换器14。电功率转换器14将接收到的电转换为可用于向负载16供电的可用形式。
电功率转换器14还经由开关18连接到交流(AC)公用电网20。因此，当开关18闭合时，电功率转换器14可以向AC公用电网20输出功率，用于向电连接到其上的各种装置(未示出)供电，或者当电功率转换器14的输出不足时，用于使用AC公用电网20向负载16供电。
能量存储可用于向系统10提供可靠性。如图2所示，该示例中的现有技术系统10还包括能量存储22，例如经由另一电功率转换器24连接到负载16和AC公用电网20的电池组件。通过使用电池组件22，系统10可以补偿来自PV面板12的太阳能输出的间歇性，并提高系统可靠性。
图3示出了类似于图2所示的现有技术的太阳能收集系统10，但连接到负载16和直流(DC)公用电网26而不是AC公用电网20。
现有技术的太阳能收集系统具有缺点和/或挑战，例如：
由于太阳光的间歇性，太阳能发电的不可靠性。
在太阳能收集系统的工作点(例如，电压、电流和/或类似的)中存在大范围的变化，因为太阳辐照度在白天变化，这显著降低了系统的整体效率。
为了给系统提供弹性，系统通常需要公用电网，即当太阳能不足或不可用时，需要公用电网为各种负载提供电力。
由于这些缺点和/或挑战，现有技术的太阳能收集系统可能不能为许多新兴应用提供最佳解决方案，例如太阳能瓦片、太阳能充电器等。因此，具有次优或甚至非优化性能的现有技术的太阳能收集系统将不利地影响太阳能系统的快速增长。因此，需要一种可靠的太阳能收集解决方案。
发明内容
本公开的实施例涉及一种混合能源装置或模块，其以有效和可靠的方式集成太阳能电池、电池单元，以及在一些实施例中的电子电路，从而产生具有高效率的可靠能源装置或模块。
根据本公开的一个方面，提供了一种多层能源装置，包括：透明或半透明衬底；太阳能电池层，其耦接到衬底，太阳能电池层包括多个太阳能电池，用于接收穿过衬底的光并将接收的光的能量转换为第一电能；储能层，其与太阳能电池层耦接，储能层包括用于存储第二电能的一个或多个储能单元；以及转换器层，其耦接到储能层，转换器层包括一个或多个功率转换器，其电连接到太阳能电池层和储能层，用于从太阳能电池层和储能层接收第一电能和第二电能，并通过其输出输出第三电能。
在一些实施例中，衬底包括玻璃层。
在一些实施例中，衬底包括柔性、透明或半透明材料。
在一些实施例中，衬底包括透明或半透明塑料材料。
在一些实施例中，衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚醚砜(PES)中的至少一种。
在一些实施例中，太阳能电池层被印刷或沉积到衬底上。
在一些实施例中，储能层被印刷或沉积到太阳能电池层。
在一些实施例中，太阳能电池层包括：耦接到衬底的阳极子层；耦接到衬底的阳极子层；耦接到ZnO子层的聚乙烯亚胺和聚乙烯亚胺乙氧基化(PEIE)子层；耦接到PEIE子层的有机太阳能电池子层；耦接到太阳能电池子层的三氧化钼(MoO3)子层；以及耦接到MoO3子层的阴极子层。
在一些实施例中，阳极子层包括氧化铟锡(ITO)。
在一些实施例中，阴极子层包括银(Ag)或铝(Al)。
在一些实施例中，太阳能电池的子层包括聚合物太阳能电池。
在一些实施例中，太阳能电池的子层包括块异质结(BHJ)的子层。
在一些实施例中，储能层包括一个或多个电池单元和一个或多个半导体电容器中的至少一个。
在一些实施例中，一个或多个电池单元中的每一个包括：第一集流体子层；耦接到第一集流体子层的阳极子层；耦接到阳极子层的固态电解质子层；耦接到固态电解质子层的阴极子层；以及耦接到阴极子层的第二集流体子层。
在一些实施例中，第一和第二集流体子层中的至少一个包括铝。
在一些实施例中，固态电解质子层包括具有Al2O3的LiBrF4和第一半互穿聚合物网络(半IPN)骨架材料。
在一些实施例中，固态电解质子层由在重量比为85/15(w/w)的癸二腈(SBN)和第一半IPN骨架材料中的1摩尔每升(mol/liter)LiBF4与约300摩尔每升Al2O3以60/40w/w的比例混合制成。
在一些实施例中，阳极子层包括具有第一碳材料和第二半IPN骨架材料的活化Li4Ti5O12(LTO)。
在一些实施例中，阴极子层包括具有第二碳材料和第三半IPN骨架材料的活化LiCoO2(LCO)。
在一些实施例中，第一和/或第二碳包括单壁碳纳米管(SWCNT)和碳粉末中的至少一种。
在一些实施例中，活化的LTO是SWCNT涂层的LTO。
在一些实施例中，活化的LCO是SWCNT涂层的LCO。
在一些实施例中，半IPN骨架材料包括紫外线(UV)固化聚合物。
在一些实施例中，紫外线固化聚合物包含结合1.0重量百分比(wt％)的2-羟基-2-甲基苯丙酮(HMPP)的乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)和HFP为6摩尔百分比(mol％)的聚(偏氟乙烯-共聚-六氟丙烯)(PVdF-HFP)，ETPTA/PVdF-HFP的重量比为75/25(w/w)。
在一些实施例中，一个或多个半导体电容器中的每一个包括与(n+1)个砷化镓(GaAs)子层交错的n个砷化铝镓(AlGaAs)子层，n>0为整数，每个AlGaAs层夹在两个相邻的GaAs层之间。
在一些实施例中，转换器层包括多输入电功率转换器，其具有太阳能输入转换器、电池输入转换器和输出转换器。
在一些实施例中，太阳能输入转换器、电池输入转换器和输出转换器中的至少一个包括绕铁磁或亚铁磁芯缠绕的线圈。
在一些实施例中，太阳能输入转换器、电池输入转换器和输出转换器中的至少一个包括由铁氧体材料制成并夹在两个布线层之间的芯层；布线层中的每一个包括位于基底上的导电布线；并且，两个布线层的布线通过其上的一个或多个通孔互连，以形成绕铁氧体磁芯缠绕的线圈。
附图说明
现在将参考以下附图描述本公开的实施例，其中，不同附图中的相同参考数字指示相同的元件，并且其中，：
图1是示出连接到负载和/或交流(AC)公用电网的现有技术太阳能收集系统的示意图，该太阳能收集系统具有用于收集太阳能的太阳能电池板；
图2是示出连接到负载和/或连接到AC公用电网的现有技术太阳能收集系统的示意图，该太阳能收集系统具有太阳能电池板和能量存储；
图3是示出连接到负载和/或直流(DC)公用电网的现有技术太阳能收集系统的示意图，该太阳能收集系统具有太阳能电池板和能量存储；
图4示出根据本公开的一些实施例的具有混合能源装置并连接到负载和/或AC公用电网的太阳能收集系统；
图5示出根据本公开的一些实施例的具有混合能源装置并连接到负载和/或DC公用电网的太阳能收集系统；
图6A是示出根据本公开的一些实施例的图4和图5所示的太阳能收集系统的混合能源装置的物理结构的示意图，其中，混合能源装置包括电池单元层作为能量存储；
图6B是示出根据本公开的一些实施例的图4和图5所示的太阳能收集系统的混合能源装置的物理结构的示意图，其中，混合能源装置包括一层超级电容器作为能量存储；
图7A是示出根据本公开的一些实施例的图6A和6B所示的混合能源装置的太阳能电池层和衬底的示意图，其中，衬底由玻璃制成；
图7B是示出根据本公开的一些实施例的图6A和6B所示的混合能源装置的太阳能电池层和衬底的示意图，其中，衬底由透明或半透明塑料制成；
图8是示出图7B所示的太阳能电池层的多个子层在衬底上大规模印刷以形成多个太阳能电池的示意图；
图9是表示将图6A和6B所示的混合能源装置的太阳能电池层和储能层印刷到衬底上的概念图；
图10示出图6B所示超级电容器的结构；
图11A是示出图6A所示的混合能源装置的储能层的电池单元的结构的示意图；
图11B是以锂离子电池单元的形式示出图11A所示的电池单元的结构的示意图；
图12是示出两个电池单元串联印刷在彼此的顶部，并在它们之间共享一个公共的集流体子层的示意图；
图13示出使用冷手动层压机作为模板打印装置制作电池单元的模板打印技术；
图14示出使用图13所示的模板印刷技术(没有任何处理溶剂)在铝集流体子层顶部的阳极子层的制造过程；
图15是示出图6A和6B所示混合能源装置细节的示意图；
图16A和16B是具有用于交流和直流应用的集成式电功率转换器的太阳能收集系统的框图；
图17A是图16A、16B所示的集成式电功率转换器的功能结构示意图，其中，集成式电功率转换器包括太阳能输入变换器、电池输入变换器、以及输出变换器；
图17B是示出图17A所示的太阳能输入转换器、电池输入转换器和输出转换器的功能结构的示意图；
图17C是图16A和16B所示的集成式电功率转换器的电路图；
图18A是示出根据本公开的一些实施例的图16A和16B所示的集成式电功率转换器的物理实现的示意图；
图18B是图18A所示的集成式电功率转换器沿截面线A-A的截面图；以及
图18C是根据本公开的一些实施例的图18A所示的集成式电功率转换器的一部分的示意透视图。
具体实施方式
现在转向图4，示出了根据本公开的一些实施例的太阳能收集系统，并且通常使用参考数字100来标识。如图所示，太阳能收集系统100包括用于向负载104供电的混合能源装置102。
混合能源装置102还通过开关108连接到交流(AC)公用电网106。因此，当开关108闭合时，混合能源装置102可以向AC公用电网106输出功率，用于向电连接到其上的各种装置(未示出)供电，或者当混合能源装置102的输出不足时，用于使用AC公用电网106向负载104供电。
这些实施例中的混合能源装置102包括一组太阳能电池112，例如具有多个太阳能电池的光伏(PV)板，用于收集太阳能并充当第一能源，并且包括作为第二能源的能量存储114。太阳能电池112和能量存储114向多输入电功率转换器116输出电力。多输入电功率转换器116将接收到的电力转换成适合的形式(例如，具有适合的电压、电流、频率、相位和/或类似的形式)，用于向负载104供电和/或输出到AC公用电网106，并使用太阳能电池112的输出来给能量存储114充电。此外，多输入电功率转换器116控制不同部件之间的功率流。
图5示出了根据本公开的一些实施例的太阳能收集系统100。这些实施例中的太阳能收集系统100除了混合能源装置102连接到直流(DC)公用电网118之外与图4所示的类似。多输入电功率转换器116还控制不同组件之间的功率流。
包括太阳能电池112、能量存储114和多输入电功率转换器116的图4和图5所示的混合能源装置102是印刷、沉积或以其他方式耦接到衬底的集成装置，并且在不同的实施例中可以具有不同的实现。图6A和图6B是示出在不同实施例中具有各种能量存储114的混合能源装置102的物理结构的示意图。
在图6A所示的实施例中，混合能源装置102包括由一种或多种合适的透明或半透明材料(诸如玻璃、透明或半透明塑料、透明或半透明聚合物等)制成的衬底132。太阳能电池层112(也表示为“太阳能电池层”)被印刷、沉积或以其他方式耦接到衬底132。因此，透明衬底132允许太阳能电池层112暴露于环境光或偶发光，并为太阳能电池层112和耦接到其上的其他层提供支撑和保护。
在这些实施例中，能量存储114(也表示为“储能层”)包括印刷、沉积或以其他方式耦接到太阳能电池层112的电池单元136层。多输入电功率转换器116的电路层(表示为“电路层”)耦接到储能层114。根据图4或图5，太阳能电池层112、储能层114和电路层116电连接(未示出)。
图6B所示的实施例中的混合能源装置102与图6A所示的类似，除了在这些实施例中，储能层114包括一个或多个电容器138或超级电容器(即，具有大容量的电容器)。
图7A是示出由合适的刚性、透明或半透明材料(例如玻璃)制成的衬底132上的太阳能电池层112的示意图。如图所示，太阳能电池层112包括多个子层，例如从衬底132开始数，由诸如印刷、沉积或以其他方式耦接到衬底132的氧化铟锡(ITO)的合适材料制成的阳极子层142、氧化锌(ZnO)144子层、聚(乙亚胺)和聚(乙亚胺)乙氧基化的子层(即PEIE)146子层、有机太阳能电池子层148，诸如聚合物太阳能电池的子层，例如体异质结的子层(BHJ)、三氧化钼(MoO3)150子层，以及由诸如银(Ag)或铝(Al)的合适材料制成的阴极氧化层152。阳极142和阴极152电连接到上层，例如储能层114(即电池单元136或电容器138的层)和/或集成转换器层116。
图7B是显示在由柔性、透明或半透明材料(例如透明或半透明的塑料材料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，也表示为聚(对苯二甲酸乙二醇酯))、聚(醚砜)(PES)等)制成的基板132上的太阳能电池层112的示意图。太阳能电池层112与图7A所示的相同。
刚性衬底导致刚性结构的太阳能电池，而柔性衬底导致柔性太阳能电池结构。本领域技术人员将理解，柔性衬底提供许多优点，例如：
1)易于使用大规模制造技术，例如用于制造太阳能电池的卷对卷涂布技术和用于制造电池的模板印刷技术；以及
2)柔性太阳能电池允许简化其所有层的制造工艺。
在一些实施例中，太阳能电池层112、储能层114(即电池层136或电容器层138)和集成转换器层116可以大规模印刷。
图8是示出在衬底132上大规模印刷以形成多个太阳能电池的太阳能电池层112的上述子层142至152的示意图。首先，将阳极(ITO)子层142作为多个ITO块以合适的图案(例如矩阵形式)印刷到PET衬底132上。然后，在ITO子层的顶部印刷多个ZnO子层144，每个ZnO块144以相邻行耦接到多个相邻ITO块142(例如ITO块142)，从而形成并联结构。然后，PEIE、BHJ和MoO3子层146、148和150作为多个块依次印刷在彼此之上。每组PEIE、BHJ和MoO3子层146、148和150形成印刷在阳极子层142上的太阳能电池(不计入阳极和阴极子层)。
阴极(Ag或Al)子层152最终作为多个块印刷到太阳能电池上，每个阴极块延伸到相邻太阳能电池的阳极层142，使得它们串联连接。
图9是示出将太阳能电池层112的一些子层(例如ZnO、PEIE和BHJ子层144、146和148)印刷到衬底132上的概念图。在这些实施例中，通过使用热蒸发器沉积MoO3和Ag子层150和152。
如图9所示，衬底132布置在平台172的平坦表面上。具有槽模头174的打印装置(未示出)用于打印子层/层。槽模头174包括充满相应“墨水”的墨盒176，并在衬底132(或印刷层)上移动(由箭头178指示)以将来自墨盒176的材料沉积到其上以形成太阳能电池112或能量存储电池(电池136和/或电容器138，未示出)。特别地，首先将太阳能电池印刷到衬底132上以形成太阳能电池层112，然后将储能层114(即电池136和/或电容器138)印刷到太阳能电池层112上。然后，多输入电功率转换器116(以印刷电路板的形式)耦接到储能层114。
在此，“油墨”是指适当形式的子层/层材料，例如溶液、凝胶或粉末，其用作制造子层/层的前体。例如，可以通过槽模涂层沉积溶解在丁醇中的ZnO油墨，以形成太阳能电池层112的ZnO子层144。在每个子层的槽模制造过程中，热处理通常用于蒸发溶剂或熔化粉末以固化所制造的子层。
在图6B所示的实施例中，超级电容器138用作储能层114。图10示出了超级电容器138的结构。如图所示，储能层114或超级电容器138包括多个砷化镓(GaAs)/铝砷化镓(AlGaAs)子层，例如n个AlGaAs层(n>0为整数)和(n+1)GaAs层，每个AlGaAs层夹在两个相邻的GaAs层之间，由此形成多个半导体电容器。
每个GaAs或AlGaAs子层可以通过使用合适的技术来沉积，例如DC溅射、射频(RF)溅射、热蒸发和/或类似的技术。
图11A是示出图6a所示实施例中的储能层114的电池单元136的结构的示意图。如图所示，每个电池单元136包括多个子层，包括分别耦接到阳极子层204和阴极子层208的一对集流体子层202和210，以及夹在阳极子层204和阴极子层208之间的固态电解质子层206。
电流流过集流体子层202、阳极子层204、固态电解质子层206、阴极子层208和集流体子层210。阳极子层204是向外部电路释放电子并在电化学反应期间氧化的负电极或还原电极。阴极子层208是从外部电路获得电子并在电化学反应期间被还原的正电极或氧化电极。
固态电解质子层206是提供电池单元136的阴极208和阳极204之间的离子传输机制的介质。与包含用于离子传导的溶解盐、酸或碱的溶剂并且通常是易燃的液态电解质相比，固态电解质更安全，并且所得到的电池组件可以更紧凑，因为需要更少的安全监测和/或安全预防部件和/或子系统。使用固态电解质的电池也提供了改进的能量和功率密度。
图11B是示出锂离子电池单元形式的电池单元136的结构的示意图。在该实施例中，集流体子层202、210是薄层铝箔，阳极子层204包括具有碳(包括单壁碳纳米管(SWCNT)和碳粉；下面更详细描述)和半互穿聚合物网络(SIPN或半IPN)骨架的活化Li4Ti5O12(LTO)，阴极子层208包括具有碳(包括SWCNT和碳粉；下面更详细描述)和半IPN骨架的活化LiCoO2(即锂钴氧化物或LCO)，且固态电解质子层206包括具有Al2O3和半IPN骨架的LiBRF4。
半IPN骨架是一种紫外(UV)固化聚合物，其由结合1.0重量百分比(wt％)的2-羟基-2-甲基苯丙酮(HMPP)的乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(即，ETPTA)作为光引发剂，以及HFP为6摩尔百分比(mol％)的聚(偏氟乙烯-共聚-六氟丙烯)(即，PVdF-HFP)组成，并且ETPTA/PVdF-HFP的重量比为75/25(w/w)。半IPN骨架在电极和电解液中充当其他材料的粘结剂。
为了提高LCO和LTO的电导率，在电极活性的LCO或LTO粉末(如纳米粒子)上涂覆SWCNT。具体地，将LCO或LTO粉末加入SWCNT-悬浮液(LCO/SWCNT以99.75/0.25w/w，LTO/SWCNT以99.35/0.65w/w)中并混合。然后过滤混合溶液以获得固体，将固体洗涤并干燥以获得SWCNT包覆的LCO(即活化LCO)或SWCNT包覆的LTO(即活化LTO)。
然后，通过将SWCNT包覆的LCO纳米颗粒与炭黑(即，碳粉)和半IPN骨架(以55/6/39w/w/w的比例)混合，形成用于制造阴极子层208的电极糊。然后，通过将SWCNT包覆的LTO纳米颗粒与炭黑(即，碳粉)和半IPN骨架(以30/7/63w/w/w的比例)混合，形成用于制造阳极子层204的电极糊。这里，炭黑被用来增加电极的导电性。
固态电解质子层206包括在比例为85/15w/w的癸二腈(SBN)和半IPN骨架中的1摩尔每升(摩尔每升；M)LiBF4，然后将其聚集物以60/40w/w的比例与Al2O3(约300摩尔每升)混合。Al2O3被用作隔离物以防止电极的任何短路。
图12是示出两个电池单元136的示意图，两个电池单元136串联地印刷在彼此的顶部，并且在它们之间共享公共的集流体子层(表示为202/210)。每个电池单元136具有α伏(V)的输出电压，两个电池单元136的组合电压为2αV。
图13示出了通过使用冷手动层压机作为模板打印机装置来制造电池单元136的模板打印技术。具体地说，如箭头224所示，一对辊222旋转，以向待制造的混合能源装置(如箭头228所示，其被馈送到辊222)(用参考数字102'标识；其上印刷有衬底132和太阳能电池层112)施加压力。供给混合能源装置102'制备有覆盖在其上的铜掩模(未示出)。然后，将具有子层204至208中的相应子层的上述材料的凝胶或巴氏剂施加到被掩蔽的混合能源装置102'上。在通过辊222之后，凝胶的薄层230(厚度约为100μm)因此被印刷或涂覆到掩模混合能源装置102'上。
图14示出了使用上述模板印刷技术而不使用任何处理溶剂的在铝集流体子层202之上的阳极子层204的制造过程。如图所示，将LTO阳极膏252涂布到具有铝集流体子层202(未示出)的馈电混合能源装置102'上，旋转辊222将压力施加到通过其的阳极膏252上，以形成薄的LTO膜204，然后将其暴露于来自Hg UV灯256的UV照射254(照射峰值强度约为2000mW.cm-2持续30秒)以固化并形成印刷的LTO阳极子层204。
然后，混合能源装置102'可以被掩蔽并涂敷电解质膏，并且在类似于如上所述的模板印刷和UV固化工艺中通过辊222，以在阳极子层204上印刷固态电解质子层206。然后可以通过将阴极膏印刷到混合能源装置102'的固态电解质子层206上并通过UV照射固化来制造阴极子层208。在将Al集流体子层210放置在印刷阴极子层208的顶部之后，获得无缝集成的全固态电池单元层136，其可以是单个全电池单元，即包括单个电池单元的整个电池层136。
可以重复上述过程以在顶部打印另一个电池单元层136，产生打印的双极性电池单元136。
在一些实施例中，如图9所示的具有槽模头174的上述打印装置可用于打印电池单元136的子层。在这些实施例中，特定头174可用于使用槽模涂层打印固态电池单元136的所有子层。然而，模具打印(见图13)更容易与高粘度油墨一起使用。此外，不需要涂覆薄(即，nm尺度)层来制造本文公开的电池。电池单元136的子层可以具有通过使用模版印刷可以容易地实现的微米范围内的相对大的厚度。
图15示出了混合能源装置102的细节。在该示例中，储能层114是超级电容器层，包括形成如上所述的多个半导体电容器的多个GaAs/AlGaAs子层138。
在一些实施例中，多输入电功率转换器116可以是集成的电功率转换器，其可以被印刷、沉积或以其他方式集成到电池单元层136(参见图6A和6B)。在图16A和16B中示出了集成式电功率转换器的框图，它们分别示出了具有用于AC和DC应用的集成式电功率转换器116的太阳能收集系统100。
图17A是集成式电功率转换器116的框图。如图所示，集成式电功率转换器116包括太阳能输入转换器284，其在太阳能输入282处接收太阳能电池层112的输出，并将太阳能输入282转换为第一中间形式(电压、电流、频率、相位和/或类似形式)以输出到输出转换器288。集成式电功率转换器116还包括电池输入转换器286，其在电池输入290处接收储能层114的输出，并将电池输入290转换为第二中间形式(电压、电流、频率、相位和/或类似形式)以输出到输出转换器288。输出转换器288接收和组合来自太阳能输入转换器284和电池输入转换器286的电输出，并将组合的电能转换成合适的形式(电压、电流、频率、相位和/或类似的形式)，以输出(292)到负载和/或公用电网(未示出)。
在这些实施例中，太阳能输入转换器284、电池输入转换器286和输出转换器288是高频电路，并且具有如图17B所示的类似功能结构。可以看出，转换器284、286和288中的每一个包括用于接收电输入的功率电路312。功率电路312耦接到驱动电路314以输出电。控制和感测模块316耦接到驱动电路314，用于控制电力输出并用于在太阳能输入282和电池输入290之间进行平衡。
图17C是集成式电功率转换器116的电路图。如图所示，太阳能输入转换器284、电池输入转换器286和输出转换器288通过具有铁磁或亚铁磁芯的变压器322电耦接。
如图18A至18C所示，在一些实施例中，集成式电功率转换器116可由多个柔性印刷电路板(PCB)330上的印刷电路形成。
在这些实施例中，集成式电功率转换器116被实现为集成电路(IC)芯片，并且包括由铁氧体材料制成的芯层334，从而形成铁氧体磁芯。铁氧体磁芯334夹在两个硅基布线层330之间。图18C是集成式电功率转换器116的一部分的示意性透视图。为了便于说明，在铁氧体磁芯334和布线层330之间用间隙示出了集成式电功率转换器116的结构。然而，本领域技术人员将理解，这些间隙仅用于说明目的，并且实际的集成式电功率转换器116可以在铁氧体磁芯334和布线层330之间不具有任何间隙。例如，铁氧体磁芯334可以印刷、沉积或以其他方式集成到布线层330中的任一个。
铁氧体磁芯334包括三个铁氧体环336A、336B和336C，用于分别充当太阳能输入、电池输入和输出转换器284、286和288的电感器Ls的磁芯。
包括332A、332B和33C的导电布线332分布在布线层330上，并连接太阳能输入、电池输入和输出转换器284、286和288。如图18B和18C所示，相对布线层330上的导电布线332通过通孔342(布线层330上的导电孔)连接并绕铁氧体磁芯334缠绕。
在一些实施例中，集成式电功率转换器116被实现为电路板，该电路板具有由柔性PCB制成的两个布线层330和以类似于图18A至18C所示的方式构造的芯层334。包括332A、332B和33C的导电布线332由柔性PCB 330上的蚀刻导电层制成。相对的柔性PCB 330上的导电布线332通过通孔342连接并绕铁氧体磁芯334缠绕。
尽管在上述实施例中，太阳能电池层112包括ZnO子层144和PEIE子层146，但在一些替代实施例中，太阳能电池层112可以仅包括ZnO子层144或PEIE子层146。然而，这些实施例中的太阳能电池层112的性能可能降低。
尽管上面已经参考附图描述了实施例，但本领域技术人员将理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下进行变化和修改。

Claims (28)

1.一种多层能源装置，包括：
透明或半透明衬底；
太阳能电池层，其耦接到所述衬底，所述太阳能电池层包括多个太阳能电池，用于接收穿过所述衬底的光并将所接收的光的能量转换为第一电能；
储能层，其耦接到所述太阳能电池层，所述储能层包括用于存储第二电能的一个或多个储能单元；以及
转换器层，其耦接到所述储能层，所述转换器层包括一个或多个功率转换器，所述一个或多个功率转换器电连接到所述太阳能电池层和所述储能层，用于从所述太阳能电池层和所述储能层接收所述第一电能和所述第二电能，并通过所述转换器层的输出来输出第三电能。
2.根据权利要求1所述的多层能源装置，其中，所述衬底包括玻璃层。
3.根据权利要求1所述的多层能源装置，其中，所述衬底包括柔性、透明或半透明材料。
4.根据权利要求1所述的多层能源装置，其中，所述衬底包括透明或半透明塑料材料。
5.根据权利要求1所述的多层能源装置，其中，所述衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚醚砜(PES)中的至少一种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的多层能源装置，其中，所述太阳能电池层被印刷或沉积到所述衬底上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的多层能源装置，其中，所述储能层被印刷或沉积到所述太阳能电池层上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的多层能源装置，其中，所述太阳能电池层包括：
阳极子层，其耦接到所述衬底；
氧化锌(ZnO)子层，其耦接到所述阳极子层；
聚乙烯亚胺和聚乙烯亚胺乙氧基化(PEIE)子层，其耦接到所述ZnO子层；
有机太阳能电池子层，其耦接到所述PEIE子层；
三氧化钼(MoO3)，其耦接到所述太阳能电池子层；以及
阴极子层，其耦接到所述MoO3子层。
9.根据权利要求8所述的多层能源装置，其中，所述阳极子层包括氧化铟锡(ITO)。
10.根据权利要求8或9所述的多层能源装置，其中，所述阴极子层包括银(Ag)或铝(Al)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的多层能源装置，其中，所述太阳能电池子层包括聚合物太阳能电池。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的多层能源装置，其中，所述太阳能电池子层包括体异质结(BHJ)子层。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的多层能源装置，其中，所述储能层包括一个或多个电池单元和一个或多个半导体电容器中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的多层能源装置，其中，所述一个或多个电池单元中的每一个包括：
第一集流体子层；
阳极子层，其耦接到所述第一集流体子层；
固态电解质子层，其耦接到所述阳极子层；
阴极子层，其耦接到所述固态电解质子层；以及
第二集流体子层，其耦接到所述阴极子层。
15.根据权利要求14所述的多层能源装置，其中，所述第一集流体子层和所述第二集流体子层中的至少一个包括铝。
16.根据权利要求14或15中任一项所述的多层能源装置，其中，所述固态电解质子层包括具有Al2O3的LiBrF4和第一半互穿聚合物网络(半IPN)骨架材料。
17.根据权利要求14或15中任一项所述的多层能源装置，其中，所述固态电解质子层由在重量比为85/15(w/w)的癸二腈(SBN)和第一半IPN骨架材料中的1摩尔每升(摩尔/升)LiBF4与约300摩尔每升Al2O3以60/40w/w的比例混合制成。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的多层能源装置，其中，所述阳极子层包括具有第一碳材料和第二半IPN骨架材料的活化Li4Ti5O12(LTO)。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的多层能源装置，其中，所述阴极子层包括具有第二碳材料和第三半IPN骨架材料的活化LiCoO2(LCO)。
20.根据权利要求18或19所述的多层能源装置，其中，所述第一碳和/或所述第二碳包括单壁碳纳米管(SWCNT)和碳粉末中的至少一种。
21.根据引用权利要求18的权利要求20所述的多层能源装置，其中，所述活化的LTO是SWCNT涂层的LTO。
22.根据引用权利要求19的权利要求20所述的多层能源装置，其中，所述活化的LCO是SWCNT涂层的LCO。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的多层能源装置，其中，所述半IPN骨架材料包括紫外线(UV)固化聚合物。
24.根据权利要求23所述的多层能源装置，其中，所述紫外线固化聚合物包含结合1.0重量百分比(wt％)的2-羟基-2-甲基苯丙酮(HMPP)的乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)和HFP为6摩尔百分比(mol％)的聚(偏氟乙烯-共聚-六氟丙烯)(PVdF-HFP)，并且ETPTA/PVdF-HFP的重量比为75/25(w/w)。
25.根据权利要求13至24中任一项所述的多层能源装置，其中，所述一个或多个半导体电容器中的每一个包括与(n+1)个砷化镓(GaAs)子层交错的n个砷化铝镓(AlGaAs)子层，n>0为整数，每个AlGaAs子层夹在两个相邻的GaAs子层之间。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的多层能源装置，其中，所述转换器层包括多输入电功率转换器，其具有太阳能输入转换器、电池输入转换器和输出转换器。
27.根据权利要求26所述的多层能源装置，其中，所述太阳能输入转换器、所述电池输入转换器和所述输出转换器中的至少一个包括绕铁磁或亚铁磁芯缠绕的线圈。
28.根据权利要求26所述的多层能源装置，其中，所述太阳能输入转换器、所述电池输入转换器和所述输出转换器中的至少一个包括由铁氧体材料制成并夹在两个布线层之间的芯层；其中，所述布线层中的每一个包括位于基底上的导电布线；并且其中，所述两个布线层的布线通过其上的一个或多个通孔互连，以形成绕所述铁氧体磁芯缠绕的所述线圈。
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