高性能纖維狀太陽能電池.pdf

1、無論是傳統(tǒng)的硅基太陽能電池還是新型有機(jī)太陽能電池，一般為平面結(jié)構(gòu)，難以滿足現(xiàn)代電子設(shè)備越來越集成化、微型化、輕量化的迫切發(fā)展需要，尤其是嚴(yán)重制約它們?cè)诒銛y式、可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決上述難題，近年來人們提出了構(gòu)建纖維狀太陽能電池的設(shè)想。與平面太陽能電池相比，直徑在微米尺度的纖維狀太陽能電池具有質(zhì)量更輕、柔性更好、受光面更廣、集成性更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，特別是可以像化學(xué)纖維一樣，通過低成本的紡織技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。但目前纖維狀太陽能電池均

2、為脆性結(jié)構(gòu)，而對(duì)于微米尺度的纖維狀太陽能電池，難以承受使用過程中所產(chǎn)生的張力而可能被拉斷，無法充分發(fā)揮纖維狀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此，發(fā)展具有良好彈性的可拉伸纖維狀太陽能電池，是解決上述應(yīng)用瓶頸的必由之路。本學(xué)位論文以石墨烯和碳納米管等碳納米材料為電極，在提高纖維狀太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)發(fā)展出可拉伸的染料敏化太陽能電池及其集成器件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了纖維狀太陽能電池的編織性能。主要內(nèi)容概括如下:
　　高光電轉(zhuǎn)換效率的

3、纖維狀染料敏化太陽能電池。提高光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵是發(fā)展高性能的纖維電極材料，本學(xué)位論文首先通過濕法紡絲合成石墨烯纖維，然后通過電化學(xué)沉積鉑納米粒子制備具有優(yōu)異電學(xué)和催化性能的復(fù)合纖維作為對(duì)電極，以陽極氧化法制備表面修飾二氧化鈦納米管陣列的鈦絲作為工作電極，兩根纖維電極纏繞而得到纖維狀染料敏化太陽能電池。通過優(yōu)化電極材料和結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8.45％，并經(jīng)第三方獨(dú)立機(jī)構(gòu)認(rèn)證，是目前纖維狀太陽能電池中國際上所報(bào)導(dǎo)的最高效率。進(jìn)一步開展了

4、系統(tǒng)的規(guī)律和機(jī)制研究，發(fā)現(xiàn)石墨烯與鉑納米粒子間存在較強(qiáng)的相互作用，電化學(xué)沉積過程中鉑納米粒子在石墨烯纖維表面均勻穩(wěn)定分散，具有較高的比表面積，因此復(fù)合纖維電極顯示較高的電催化性能，從而獲得高效率的纖維狀太陽能電池。
　　彈性纖維狀染料敏化太陽能電池。構(gòu)建彈性纖維狀太陽能電池的一個(gè)關(guān)鍵是發(fā)展可拉伸纖維電極，本學(xué)位論文發(fā)展了一種制備可拉伸纖維電極的普適性方法，即把具有高導(dǎo)電率的納米薄膜材料如取向碳納米管薄膜通過旋轉(zhuǎn)平移法緊密地纏繞在彈

5、性纖維基底上，在拉伸過程中取向碳納米管結(jié)構(gòu)保持不變，從而獲得了彈性的導(dǎo)電纖維。這類纖維在拉伸100％后仍然保持較高的電導(dǎo)率。然后以取向碳納米管彈性纖維作為對(duì)電極，以二氧化鈦納米管修飾的螺旋狀鈦絲作為工作電極，把彈性纖維對(duì)電極插入到螺旋狀工作電極中即可得到彈性纖維狀染料敏化太陽能電池，最高光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.13％，并在拉伸30％后基本保持不變。
　　彈性纖維狀染料敏化太陽能電池的集成。對(duì)于纖維狀太陽能電池，另一個(gè)重要挑戰(zhàn)是如何把從

6、產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來，從而滿足不同時(shí)間和場(chǎng)合的需要。為了解決這個(gè)挑戰(zhàn)，本學(xué)位論文在彈性纖維狀染料敏化太陽能電池上進(jìn)一步集成了彈性的超級(jí)電容器，從而發(fā)展出一類新型的彈性纖維狀集成能源器件。首先，基于旋轉(zhuǎn)平移法制備了高性能的彈性纖維狀超級(jí)電容器，比容達(dá)到19.2法拉/克，并在拉伸75％的情況下保持穩(wěn)定。然后，把超級(jí)電容器與太陽能電池以同軸結(jié)構(gòu)的方式集成在同一根彈性纖維上，獲得集成器件，能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存效率最高可以達(dá)到1.83％，而且在50次拉伸

7、后保持良好的穩(wěn)定性。
　　纖維狀太陽能電池織物。纖維狀太陽能電池的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于可以通過低成本的紡織技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，但這方面研究尚處于起步階段。本學(xué)位論文進(jìn)一步把高效率的纖維狀染料敏化太陽能電池進(jìn)行編織，得到的太陽能電池織物具有良好的柔性和彈性，并且保持較高的光電轉(zhuǎn)換效率;織物的輸出電流和電壓可以通過纖維電池的并聯(lián)和串聯(lián)得到有效調(diào)控。
　　總結(jié)來說，本學(xué)位論文以碳納米纖維材料作為對(duì)電極，發(fā)展出彈性、高效率、可集成、可編